東北大学の山本孟助教らの研究グループ※は、岡山県産の逸見石(へんみいし)が量子力学的なゆらぎの強い磁性体であることを、放射光や理論計算、極低温物性測定を用いて発見した。量子コンピュータなどへの応用が期待される。

 天然鉱物の多様な結晶構造は性質の多様性につながるため、その磁性は興味を集めてきた。新鉱物は日本国内で140種類以上発見されているが、サンプルの稀少さから固体物理学の視点で物性研究をした例は少ない。逸見石は世界でも岡山県高梁市の布賀鉱山でのみ産出する代表的な日本産新鉱物。結晶は濃紺やすみれ色で、磁性を担う二価の銅イオンが歪んだ二次元正方格子を作るため、研究グループは低次元性を持つ磁性体として注目した。

 今回、放射光X線回折を行ったところ、逸見石が従来の報告とは異なる結晶構造を持つことが判明。決定した結晶構造とそれに基づく理論計算から、逸見石は量子力学的なゆらぎ(熱ではなく量子力学的な効果による磁気スピンのゆらぎ)が強く現れる磁気スピン格子の性質を持つことが分かった。

 磁化測定と極低温までの比熱測定を行ったところ、逸見石は隣接する磁気スピン同士が反平行に並ぼうとする力(反強磁性相互作用)があるが、ゼロ磁場中では絶対温度0.2度と極低温まで、スピンが整列する磁気秩序が生じなかった。逸見石の結晶構造と磁気スピン格子の幾何学的な特徴で生じる量子力学的なゆらぎが、磁気スピンの秩序化を抑制したと考えられるという。

 今回の研究は、稀少さのため磁性研究例が少ない「日本産新鉱物」に注目するという新しい視点で行われた。今後、量子コンピュータなどへの応用や、新たな物理現象の発見が期待されるとしている。

※他に岡山大学、東京工業大学、高エネルギー加速器研究機構、福井大学、神奈川県立産業技術総合研究所が参加している。

論文情報:【Physical Review Materials】Quantum spin fluctuations and hydrogen bond network in the antiferromagnetic natural mineral henmilite

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