史上初！量子スピン液体の基底状態が初めて観測される

原題: 量子スピン液体基底状態を初めて観測

米国、ドイツ、カナダの科学者からなる国際研究チームは、最新号のフィジカル・レビューXに、磁性体Ce2Zr2O7で初めて「量子スピン液体基底状態」を観測したと記した。この最新の研究により、量子コンピュータの設計に新たな方向性が開かれると期待されています。

スピンは電子の回転に関連する内部特性であり、このスピンによって磁石内の物質が磁性を帯びるようになります。一部の材料では、スピンによって液体中の分子と同様に構造の無秩序が生じる可能性があるため、「スピン液体」と呼ばれます。スピン液体の主な特徴は、絶対零度（マイナス273度）まで冷却しても無秩序な状態が維持されることです。これは、従来の磁石のようにすべてのスピンが一列に並んだ固体状態に安定するのではなく、材料が冷却するにつれてスピンの方向が変動し続けるためです。

研究者らは、電子を上や下を指す小さなコンパスの針として想像すると説明している。従来の磁石では、電子スピンはすべて上または下の同じ方向を向いており、「強磁性相」と呼ばれる状態を形成します。しかし、量子スピン液体の内部では、電子は三角格子内に配置されて三角形を形成し、その秩序を乱す強い乱流を特徴とします。その結果、磁気秩序のないエンタングルメントされた波動関数が生成されます。

「3つ目の電子を加えると、隣接する2つの電子のスピンが逆になるため、電子スピンは整列できず、いわゆる磁気フラストレーションが生じる」と、モントリオール大学の物理学教授で最新研究のリーダーであるアンドレア・ビアンキ氏は説明する。 「この基底状態はスピンの無秩序性を維持する励起を作り出し、非常に低い温度でも液体状態を維持します。」

ビアンキ氏は、Ce2Zr2O7は磁性を持つセリウムベースの材料であると述べた。科学者らは以前にもこの化合物を生成しており、新たな研究では独自の純粋な形で生成した。彼らは光学炉で溶かしたサンプルを使ってほぼ完璧な三角形の原子配列を作り、量子状態を調べた。結果は、このほぼ完璧な三角形が Ce2Zr2O7 に磁気フラストレーションを生み出すことを可能にしたことを示唆しました。

「我々の測定では、粒子の機能が重なり合っているため、古典的な磁気秩序の明確な兆候は見られない」とビアンキ氏は語った。 「さらに、スピン液体と磁気フラストレーションの特徴である、スピン配向の分布が常に変動していることが観察され、私たちが作成した材料が低温で真のスピン液体のように振る舞うことが示唆されました。」

研究チームは、これらの観察結果をコンピューターシミュレーションで確認した後、これまで見たことのない量子状態、つまり量子スピン液体基底状態を実際に観察したという結論に達した。