高津浩 工学研究科特定講師、門脇広明 首都大学東京大学理工学研究科准教授、小野田繁樹 理化学研究所専任研究員らの研究グループは、東京大学物性研究所、ラウエ?ランジュヴァン研究所、アメリカ国立標準技術研究所中性子研究センターと共同で、テルビウムチタン酸化物Tb 2 Ti 2 O 7 を温度－273℃（絶対温度0.1ケルビン）まで冷却すると、スピン液体という量子的な液体が凝固して电気四极子と呼ばれる电子の「轨道の形」が秩序する珍しい固体ができることを明らかにしました。
これは约20年来明らかにされてこなかった罢产 2 Ti 2 O 7 の谜の秩序の问题を解く重要な成果であり、物质がとり得る新しい量子状态の理解につながる基础学术上の重要な発见です。
本成果は2016年5月26日付けでアメリカ物理学会が発行する英文誌Physical Review Letters誌に掲載されました。
研究者からのコメント
この研究では、「フラストレート磁性体」をキーワードに研究を行い、物质のもつ新たな性质を明らかにすることができました。苦労して作った単结晶が良质なものであったこと、そして、それを使った比热の実験に鲜明なピークを観测できたことは思い出深く、本研究の重要な成果でもあります。研究対象のテルビウムチタン酸化物罢产 2 Ti 2 O 7 における「隠れた秩序」の谜が解けたことにより、その近くにある「スピン液体」の性质もより详しく理解できるようになったと思います。今后も新しくて面白い物质を开発して、研究していくことができたら嬉しいと考えています。
概要
Tb 2 Ti 2 O 7 はスピン液体と呼ばれる大変珍しい量子状态を示す物质として1999年の発见以来、精力的に研究されてきました。これまでに100を超える実験とさまざまな理论モデルが提案されてきましたが、そのスピン液体の性质については未だ十分にわかっていませんでした。また、実験的にはいくつかの试料においてしばしばスピン整列の长距离秩序とは异なる谜の秩序が観测されており、この秩序状态は一体何なのか？そして罢产 2 Ti 2 O 7 は本当にスピン液体なのか？という问题が、基础学术上の大きな研究テーマの一つでした。
今回研究グループは度々観测される谜の秩序の理解が罢产 2 Ti 2 O 7 のスピン液体の性质を理解する上でも重要な知见になると考えて、长距离秩序の性质を示す纯良な単结晶を作成して磁场中の比热や磁化の测定と中性子散乱実験に取り组みました。
そして惊くべきことにそれらの実験结果は、电気四极子の寄与を取り入れた量子スピンアイス模型に基づいた理论计算と见事に一致することがわかりました。つまり、これまで谜であった罢产 2 Ti 2 O 7 の秩序は、テルビウムイオンが持つ四极子という电子の轨道自由度の秩序化であることが明らかになりました。
また、この秩序相の近くに现れるスピン液体は、量子スピンアイスというスピンアイスの量子力学的に重ね合わさった量子液体状态である可能性が浮き彫りとなりました。
図：罢产 2 Ti 2 O 7 の结晶构造と四极子秩序构造
Tb 2 Ti 2 O 7 は、パイロクロア格子と呼ばれる四面体（グレーのピラミッド）が点共有で3次元的に连なった构造を形成します。四面体顶点にはテルビウムイオンが配置しており、紫色の歪んだ球は四极子秩序后のテルビウムイオンの电荷分布を表しています。それらの周期构造が四极子秩序の构造を表します。［111闭方向は叁角格子面とカゴメ格子面が交互に积层する2次元构造が特徴的な方向です。
详しい研究内容について
书誌情报
【顿翱滨】
H. Takatsu, S. Onoda, S. Kittaka, A. Kasahara, Y. Kono, T. Sakakibara, Y. Kato, B. F?k, J. Ollivier, J.?W. Lynn, T. Taniguchi, M. Wakita, and H. Kadowaki. (2016). Quadrupole Order in the Frustrated Pyrochlore Tb2?xTi2?xO7?y. Phys. Rev. Lett, 116(21), 217201.
