東北大学、バージニア大学、テネシー大学の共同研究グループはスピン凍結状態中の記憶効果の詳細な検討により、フラストレート磁性体の示すスピン凍結状態がランダム系のスピングラス状態とは本質的に異なるエネルギー構造を持つことを明らかにした。

 物質内の原子間に生じるような相互作用を、エネルギーの適当な組み合わせの関数として表した様相をエネルギーランドスケープ(エネルギー地形)と呼ぶ。ランダム磁性体は結晶中に磁気モーメント(スピン*)がランダムに配置しているため、複雑なエネルギーランドスケープを持つ。この磁性体は低温では磁気モーメントがランダムな向きのままガラスのように凍結する(スピングラス現象)。一方、フラストレート磁性体は相互作用が打ち消し合うように働き、どれだけ低温にしても磁気モーメントは静止せず揺らぎ続けるとされる。それでも、スピン凍結現象を示すものがあり、ランダム磁性体との違いが大きな問題とされた。

 今回、研究グループはランダム磁性体とフラストレート磁性体のそれぞれの凍結状態における、磁化と温度変化との関係にみられる記憶効果を磁気測定および数値シミュレーションにより詳細に検討。その結果、エネルギーランドスケープが、ランダム磁性体では階層的な複雑さを示し、フラストレート磁性体ではほぼ平坦になるという本質的な違いが存在することを明らかにした。

 複雑なエネルギーランドスケープは磁性体のみならず、脳の活動や社会におけるネットワーク形成等まで広く見られるものであり、今回の記憶効果を用いたエネルギーランドスケープ研究はこれらの対象の研究に対しても新しい手法を提供するものとして期待されるという。

注:*磁性は電子のスピン(自転していると仮定したもの)により生じ、スピンが協調して働くとき物質に磁性が生じる。

東北大学
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