東京理科大学の藤原理賀助教らの研究グループは、カムチャッカ半島のトルバチク火山で発見された鉱物を実験・理論の両側面からその内部磁気状態を調べた。この結果、同物質の低温磁気状態が、一次元的に強い量子もつれを持った「ホールデン状態」であることを発見した。

 スピン(電子の角運動量の自由度)の大きさが整数の場合の低温状態をホールデン状態と呼ぶ。この状態では、スピン間に強い量子もつれ(状態の重ね合わせによって現れる、異なる量子間の相関効果)があり、一次元鎖の両端に位置する2つのスピンに、2量子ビット(量子計算の情報単位)に相当する自由度が現れる。

 また、この状態を積極的に活用した量子コンピュータの開発が、基礎科学・工学応用の両側面から期待されている。一方で、ホールデン状態の再現には、整数スピンが必要であり、これを実現する元素は非常に限られているため、これまで積極的に応用への試みがなされていなかった。

 K2Cu3O(SO4)3(鉱物名:Fedotovite)は、カムチャッカ半島のトルバチク火山で発見された鉱物。研究グループは、この物質を構造的特徴から「辺共有四面体量子スピンクラスタ鎖」と名付けて人工合成し、内部磁性に関して室温付近から4K以下まで実験的理論的に検討。その結果、各辺共有四面体クラスタ(銅イオン6個で形成)は硫酸イオンにより一次元的な相互作用を持つためホールデン状態が実現することが判明。さらに、辺共有四面体の数が偶数の場合のみ低温状態としてホールデン状態が出現する可能性があることが分かった。

 今回の知見を一般化して、ホールデン状態を人工的に再現する指針も示した。今後、より柔軟な量子コンピュータの設計指針構築が期待される。

論文情報:【Physical Review Letters】Cluster-Based Haldane State in an Edge-Shared Tetrahedral Spin-Cluster Chain: Fedotovite K2Cu3O(SO4)3

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大学ジャーナルオンライン編集部

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