絶対零度まで凍らない量子スピン液体の熱伝導性 京都大学
絶対零度まで凍らないスピンの液体が示す不思議な性質を発見 — 京都大学.
“Highly Mobile Gapless Excitations in a Two-Dimensional Candidate Quantum Spin Liquid”
（二次元量子スピン液体における高易動度で ギャップのない励起）
Minoru Yamashita, Norihito Nakata, Yoshinori Senshu, Masaki Nagata, Hiroshi M. Yamamoto, Reizo Kato, Takasada Shibauchi, Yuji Matsuda
京都大学の山下穣 理学研究科助教、芝内孝禎 同准教授、松田祐司 同教授の研究グループは、加藤礼三 理化学研究所主任研究員らの研究グループと共同で、量子力学的な「零点振動」と「幾何学的フラストレーション」の効果で、絶対零度まで凍結しない「量子スピン液体」の研究を行った。
通常電気を流すものは熱を良く伝える。ところが「量子スピン液体」状態は、電気を全く流さない絶縁体だが、金属と同じくらい熱をよく伝えることを発見した。絶対零度における物質の全く新しい凝縮状態の理解へつながるという。2010年6月4日に米国科学誌「Science」に掲載された。
温度を下げると水は氷になる。温度を下げると水分子が運動エネルギーを失って、秩序を持って整列してしまうことによる。温度にはこれ以上下がらない絶対零度（-273.15℃）という温度がある。この温度ではすべての運動が完全に停止してしまうと考えられていた。ところが、ミクロな世界を支配する量子力学の法則によると、原子は絶対零度でも揺らぎながら運動することが可能となる。ということは、絶対零度でも液体のままでいることが可能であることになる。
電子はスピンと呼ばれる性質を持っている。スピンは、高温ではそれぞれバラバラな向きを向いているが（スピンの液体状態）、温度を下げるにしたがって規則的に整列、つまりミクロな磁石の極が一方向にそろったような状態ができる（スピンの固体状態）。
これまで絶対零度では、スピンは必ず整列する、つまりスピンの固体状態になってしまうと考えられてきた。しかし、スピンが幾何学的にうまく整列できない状況がある。たとえば三角形に並んだスピンが互いに異なる向きになりたい場合が挙げられる（図1参照）。このような状況は「フラストレーション」とよばれ、この関係に陥ったスピンはうまく整列することができないため、量子力学的な効果と相まって、絶対零度までスピンも液体状態にとどまることが可能だと期待されてきた。
最近になって三角格子を持つ物質が実際に合成可能になり、絶対零度でもスピンが整列しない物質が発見された。これまでの常識を覆すものであり「量子スピン液体」と呼ばれ、最近大きな注目を集めているという。
図1：スピンの整列とフラストレーション。スピンの強磁性秩序(a)、反強磁性秩序(b)と三角格子におけるフラストレーション(c)。電子のもつ磁気的性質であるスピンは磁石のN極とS極のように向きを持ち、図にあるように矢印で表すことができる。物質によって (a)のように一方向に整列する性質（強磁性秩序）や、(b)のように反対向きに整列しようとする性質（反強磁性秩序）を持つ物質など様々なものが存在する。互いに反対向きになりたい場合、(b)のような四角格子ではうまく整列することができるが、(c)のような三角格子の場合、異なる向きと隣り合うスピンがあるためにどちらにも向けなくなるフラストレーションが発生する。
今回の京都大学のグループは、理化学研究所の加藤主任研究員によってつい最近発見された量子スピン液体状態を持つ有機物質（図2参照）を絶対零度近くまで冷却し、量子スピン液体がどのように熱を伝えるかを調べた。通常、金属中では電子が自由に動き回ることが可能で、この電子が熱も運んでくれるため、金属はよく熱を伝える。それに対して、プラスチックや布のような絶縁体では、電子が流れないために熱はほとんど伝わらない。
2。EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2を横から見た図(a)。Pd(dmit)2分子の作る層を上から見たのが(b)の図で、二量体化したPd(dmit)2分子が三角格子を組んでいる。青い矢印は量子スピン液体状態におけるスピンの模式図。二量体化したPd(dmit)2分子が三角格子を組む物質。隣り合うスピンの間の力がほぼ等しく、ほぼ正三角形になっている。”]![図2：三角格子を持つ有機化合物EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2。EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2を横から見た図(a)。Pd(dmit)2分子の作る層を上から見たのが(b)の図で、二量体化したPd(dmit)2分子が三角格子を組んでいる。青い矢印は量子スピン液体状態におけるスピンの模式図。二量体化したPd(dmit)2分子が三角格子を組む物質。隣り合うスピンの間の力がほぼ等しく、ほぼ正三角形になっている。](http://moriyama.com/node/wp-content/uploads/2010/06/02.jpg "三角格子を持つ有機化合物EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2")
しかしながら今回の研究で「量子スピン液体」は絶縁体であるにもかかわらず、金属に匹敵するほど熱を良く伝えることが発見された（図3参照）。
図3：金属、絶縁体、量子スピン液体における熱の流れ。金属においては自由に動きまわる電子が熱を運ぶが、電子が動けない絶縁体の中では電子は熱を運べない。量子スピン液体物質は絶縁体で電子は全く動けないにもかかわらず、スピンがあたかも金属中の電子のように良く熱を運ぶことが明らかになった。
この性質は、スピン液体状態のスピンが、単にランダムな方向を向いた普通の液体状態ではなく、全く新しい量子力学的な液体状態であることを意味しているという。
量子スピン液体状態の特異な性質を実験的に明らかにすることに成功したことで、絶対零度近くにおける物質の新しい凝縮状態の理解へつながると考えられるという。また量子スピン液体状態は、超伝導と密接な関係を持っていることも指摘されており、新しい超伝導発現機構の解明にも役立つと考えられる。
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