量子スピン液体物質における新たな1次元スピンダイナミクスの発見

量子スピン液体物質における新しい発見

量子スピン液体（QSL）状態と呼ばれる特異な物質が、これまでの理論予測とは異なる1次元のスピンダイナミクスを示すことが研究者たちによって発見されました。この研究は、理化学研究所（理研）を中心とした国際共同研究チームにより行われ、材料科学の重要な進展をもたらすものです。

量子スピン液体とは？

量子スピン液体は、量子もつれの性質によりスピンが絡み合い、従来の磁気秩序が形成されない状態を指します。スピンが整列せず、動的に揺らぎ続けるため、特に量子コンピュータやスピントロニクスデバイスなどへの応用が期待されています。しかし、QSL状態はその実験的検証が難しく、長年の研究課題となっています。特に、幾何学的磁気フラストレーションがQSLの形成に寄与することが知られています。

研究成果の背景

今回、研究チームは三角格子を有する分子磁性体β'-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂を対象に研究を進めました。この物質は、2次元的な磁気ネットワークを持つとされながら、1次元のスピンダイナミクスを示したのです。この現象がどのようにして発生したのか、計算手法を用いて詳細に解析され、幾何学的磁気フラストレーションがスピンダイナミクスの1次元化に寄与していることが確認されました。

研究方法と発見

研究者たちは、電子スピン共鳴法（ESR）とミューオンスピン緩和法（μSR）という新たな分光法を組み合わせてβ'-EtMe₃Sb[Pd(dmit)₂]₂の電子状態を詳細に検討しました。特に、ESRではスピンの異方性やダイナミクスを詳細に調査し、μSRではミューオンを用いてスピンダイナミクスを高感度で追跡しました。これにより、スピンの動きが1次元的であることが明らかになりました。

たとえば、ESRで観測されたスピン拡散の角度依存性は、特定の方向で線幅が増大し、1次元スピン鎖特有の挙動が見られました。同時に、μSRの結果も典型的な1次元スピン拡散の状態を示しました。

幾何学的フラストレーションの影響

実験と計算結果から、1次元的なスピンダイナミクスが展開される方向は、従来考えられていた磁気的相互作用が最も弱い方向であることが判明しました。これは、密度汎関数理論（DFT）を用いた計算によっても支持されています。このことから、幾何学的磁気フラストレーションと分子間の揺らぎがスピンダイナミクスを促進し、次元の縮小効果がQSL挙動の根源であることが説明されました。