ハイブリッド磁性体で強いフラストレーションを実現：新たな物理現象を生み出す原動力に

東京大学と東北大学は、英ラフバラー大学や独ライプニッツ固体・材料研究所と共同で、有機分子と硫酸銅が積層した有機無機ハイブリッド物質の磁気的性質を調査し、幾何学的フラストレーションの効果が極めて強い二次元磁性体であることを明らかにした。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

低温で磁気秩序を持たない未知の量子状態を実現している可能性も

　東京大学物性研究所の石川孟助教と石井裕人助教、東北大学金属材料研究所の清水悠晴助教らは2024年5月、英ラフバラー大学や独ライプニッツ固体・材料研究所と共同で、有機分子と硫酸銅が積層した有機無機ハイブリッド物質の磁気的性質を調査し、幾何学的フラストレーションの効果が極めて強い二次元磁性体であることを明らかにした。

　幾何学的フラストレーションとは、スピンの幾何学的な状況により、磁性体内におけるスピン間の相互作用が満たされることが妨げられる効果である。例えば、「三角形の上でスピンを反対向きに並べようとしても、全てのスピンを反対向きにできない」という。このような原子配列を持つ物質は、新しい物理現象を生み出す可能性が高いといわれている。

　研究グループは今回、スター格子と呼ばれる、三角形を基にした二次元ハニカム格子にスピンが並んだ有機無機ハイブリッド物質の単結晶を合成し、その磁気的性質を調べた。この結果、「0.1Kという極めて低い温度まで磁気秩序が現れない」ことや、「105テスラまでの磁化曲線において階段状の変化が生じる」ことが分かった。

　また、三角形内の相互作用は三角形間の相互作用に比べて強いというモデルで説明できることも明らかにした。三角形内の相互作用が強いほど、幾何学的フラストレーションの効果が働き、フラストレーションはさらに強くなるという。

上段はスター格子とフラストレーションの関係。下段は有機無機ハイブリッド物質の構造と合成した結晶［クリックで拡大］ 出所：東京大学他

　研究グループは今回用いたハイブリッド磁性体について、低温で磁気秩序を持たない未知の量子状態を実現している可能性があるとみている。