量子コンピュータや量子センサなど、新しい量子技术の开発には巨视的に现れる量子もつれ（注1）の効果の観測とその制御が鍵となります。さらなる技術開発に向けて、その操作の簡便性から磁性体での巨視的量子もつれの観測と制御の実現が望まれていました。国立大学法人東海国立大学機構 黑料网大学院工学研究科の泽博教授は、東京大学理学系研究科物理学専攻 唐楠特任研究員（研究当時）、ミンシゥエンフゥ特任研究員、東京大学大学院理学系研究科物理学専攻 酒井明人講師、東京大学大学院理学系研究科物理学専攻?物性研究所およびトランススケール量子科学国際連携究機構の中辻知教授、東京大学大学院新領域創成科学研究科の木村健太助教、および、米ジョンズホプキンズ大学、独マックスプランク研究所、独ドレスデン高磁場研究所、印Tata Institute of Fundamental Researchらとの国際共同研究により、磁性イオンのプラセオジム（Pr）がパイロクロア格子（注2）を成す酸化物笔谤2Zr2O7において、スピンと轨道の量子もつれによりスピン轨道ダイナミクス（注3）が极低温まで生き残り、トポロジカルな磁性状态である量子スピンアイス状态（注4）が実现していることを确认しました。さらに、その量子もつれの巨视的効果を磁场で制御するメタ磁性転移（注5）の観测にも成功しました。
固体中の电子のスピンや轨道は、高温では全く无秩序に振るまうのに対して、低温では一定のパターン（＝长距离秩序）を形成することが知られています。しかし、量子もつれ（スピンと轨道が両方揺らぐ特异な液体状态）を巨视的に観测するには、上记のような秩序を全て抑える条件を満たす物质を见つけた上で、さらに、その极めて纯良な试料と精密な极低温测定を行う必要があります。そのため、その実现は长らく不可能であると考えられていました。
当研究グループは、高纯度の笔谤2Zr2O7単结晶の合成に初めて成功し、精密な极低温热力学测定を幅広く行いました。さらに理论面の検証を踏まえ、スピンと轨道の量子もつれによるスピン轨道ダイナミクスが量子スピンアイス状态を安定化させていることを见出しました。この量子スピンアイス状态は、高エネルギー物理分野で探索が続いている电気モノポール、磁気モノポールと等価な準粒子（注6）が固体の中で安定化しているトポロジカルに新しい状態であり、量子もつれの実験的制御を調べるうえで恰好の舞台となります。本研究は今後、スピン軌道液体状態を実現する物質設計の指針になることや、新規な励起の発見に貢献すると期待されています。本研究成果は英国科学誌「Nature Physics」の2022年12月1日号に掲載されました。
* 磁性体中における磁気モーメントのみならず、軌道までもが極低温まで長距離秩序を示さず、量子力学的に揺らいでいる新奇な量子もつれ状態「スピン軌道液体」を実現。
* スピンと軌道間の量子もつれにより、トポロジカルな量子スピンアイス状態が安定化。
* 磁場で量子もつれを制御して、スピン軌道液体と固体状態の間の遷移を操作できることを発見。
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（注1）量子もつれ
物質を構成する小さい粒子同士が互いに強く結びつく現象。 一旦二つの粒子に量子もつれの関係ができると、どんなに遠く引き離されても片方の粒子の状態が変化すると同時に、もう一方の粒子の状態も瞬時に変化します。この量子もつれ状態を操作することができれば、量子暗号技術を含め、様々な技術に応用することができます。
（注2）パイロクロア格子
正四面体が顶点共有をして连なった结晶格子のことを指します。パイロクロア磁性体では、磁性イオンが各正四面体の顶点に位置します。
（注3）スピン轨道ダイナミクス
スピンとは、自転に譬えられる电子の自由度で、磁性体における微小な磁石（磁気モーメント）のことを言います。磁性体は通常巨视的な数のスピンが、何らかのパターンに整列する磁気秩序を示します。典型的な例として、スピンが一様な方向にそろう强磁性体と、隣り合うスピンが反平行に配列する反强磁性体があります。轨道とは、结晶中の一电子の运动状态を表わす波动関数であり、おおざっぱには电子が存在する领域と捉えることができます。轨道は种类によって异なる形を持ちます。スピン轨道ダイナミクスとは、スピンと轨道がお互いに影响を及ぼしあい揺らいでいる様のことを言います。
（注4）スピンアイス
常圧において氷はパイロクロア格子构造をとり、共有する二つの正四面体の中心に位置する翱2－イオン一つに対して、近隣の四つの水素イオン贬+のうち二つが近くに、残りの二つは远くにいる配置条件（＝アイスルール）を満たしています。同様な状况は、贬+イオンの変位を上下二方向にしか向かないスピン（イジングスピン）に置き換えたスピンアイスと呼ばれる磁性体にも現れます。スピンアイスでは正四面体の頂点にイジングスピンが配置されており、四つのイジングスピンのうち、二つは正四面体の内側を向き、残りの二つは外側を向きます（＝アイスルール）。この構造を“2-in, 2-out”と呼びます。
量子スピンアイスとは、量子力学的効果（横ゆらぎSx, Sy成分）が加わり、異なる2-in, 2-out構造間を量子力学的にトンネルさせている磁性状態です。また、量子スピンアイスは従来の磁性体のような古典的な長距離秩序ではなくトポロジカルな秩序を有しており、まったく乱雑な状態とは一線を画しています。さらに、このトポロジカルな性質による新奇な準粒子（注6）の存在が予言されており、基础物理のみならずデバイス开発の応用面からも注目を浴びています。
（注5）メタ磁性転移
磁场を印加し、ある磁场で磁化が急激に増大する现象のことを指します。スピンアイスを特徴づける现象の一つです。
（注6）準粒子
一つの粒子が全体として最もエネルギーの低い量子状态（基底状态）から外れて动きだすと、周囲の粒子も影响されて动きだします。このような运动は一见一粒子の运动のように见えるので、準粒子と呼ばれます。物体が水の中を通过するとき、周りの水は物体に道をあけるように流れますが、準粒子は周囲の流れを伴って动く物体のようなものと思えばよいでしょう。量子スピンアイスでは、「フォトン」、「电気モノポール」、「磁気モノポール」の叁种类の準粒子が现れると予言されております。そのうちとりわけ磁気モノポールが注目を浴びています。磁石のＳ极とＮ极を分割することはできないと信じられてきましたが、大统一理论では、宇宙初期の高エネルギー状态ではＳ极とＮ极が别々である磁気モノポールが存在していたと考えられていました。しかし、决定的な実験の観测には至っていません。スピンアイスにおける磁気モノポールは、高エネルギー物理分野で探索されてきた素粒子と酷似した性质を持つ準粒子であり、それゆえ固体物理学者のみならず高エネルギー物理学者を含め、幅広い研究者から大きな注目を集めています。
雑誌名：Nature Physics
タイトル：Spin-orbital liquid state and liquid gas metamagnetic transition on a pyrochlore lattice
著者： N. Tang, Y. Gritsenko, K. Kimura, S. Bhattacharjee, A. Sakai, M. Fu, H. Takeda, H. Man, K. Sugawara, Y. Matsumoto, Y. Shimura,
J. -J. Wen, C. Broholm, H. Sawa, M. Takigawa, T. Sakakibara, S. Zherlitsyn, J. Wosnitza, R. Moessner, S. Nakatsuji
顿翱滨番号：10.1038/蝉41567-022-01816-4
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