【物理】極低温下（絶対温度0.02度）でも固体にならない量子液体状態発見−東大など

極低温下でも固体にならない物理現象発見　東大など

　東京大学や名古屋大学など日米を中心とする国際研究チームは、極めて低い温度になっても
固体にならず、液体の状態を保ち続ける物理現象を見つけた。ある種の銅酸化物をセ氏マイナス
273度（絶対温度0.02度）に下げても、物質中の電子が作る微小な磁石がゆらゆらと動き、液体の
ような振る舞いをみせた。この現象を参考に消費電力を大幅に抑えた電子素子を開発できるかも
しれないという。４日付の米科学誌サイエンスに掲載する。

　水が凍るように通常の物質は極低温で液体から固体に変わる。新現象は、物質を冷やし、外から
約30テスラの強力な磁力を与えても「量子液体」と呼ぶ液体状態のままだった。

　これまで一部の有機物質で確認されていたが、わずかな磁力を与えるだけで、微小磁石の動きが
止まった。

日本経済新聞　2012/5/4 3:00
http://www.nikkei.com/news/category/article/g=96958A9C889DE6E3E2E5E1E5E3E2E2E6E2E7E0E2E3E09180EAE2E2E2

乱れに強い量子液体状態を示す銅酸化物磁性体の発見

１．発表概要：
超伝導に代表される量子液体は、基礎的にも応用上においても重要な研究対象となっています。
これまで磁性体における量子液体状態は 乱れに弱いと考えられてきました。今回、東京大学物性研究
所 (所長 家 泰弘) 中辻 知准教授の研究グループは、名古屋大学、大阪大学極限量子科学研究
センター、カリフォルニア州立大学、日本原子力研究開発機構、琉球大学、バンデュン工科大学、米国
国立標準技術研究所、メリーランド州立大学、ジョンズ・ホプキンス大学と共同で、構造に乱れを伴った
銅酸化物の磁性体において、電子の持つ自由度であるスピンと軌道の協力現象によりそれらが低温まで
秩序化しない新しい量子状態を形成している事を発見しました。これは乱れに強い一種の量子液体
状態と考えられ、今後の物質・材料開発に新たな指針を与えると期待されます。

２．発表内容：
自然は安定で最もエネルギーが低い状態を保とうとします。一方、温度が高くなるとエントロピーと呼ばれる
乱雑さが状態を支配しようとします。これが例えば固体が液体に、液体が気体に変化して、自然が魅惑
的な様相を示す原動力の一つとなっています。逆に、温度が低くなると、比較的自由に動き回っていた
原子や分子が、エネルギーを下げるために自発的にその対称性を破る固体となります。この対称性の
破れは、氷が水より軽くなって浮いてしまうといった不思議な現象を示します。しかし、量子力学的な
エネルギーを下げることで、低温でも液体状態を保つ場合があり、量子液体として知られています。
たとえば、超流動を示すヘリウム、電子の示す超伝導状態などです。この量子状態は基礎的に重要な
研究対象であるだけでなく、乱れに対して強いために応用研究の対象として注目されてきました。

一方、最近の磁性体(注１)の研究において、磁性を司るスピンや軌道を特殊な配置に並べた場合、
低温まで対称性の破れが生じずにいつまでも液体の状態が保存されるという奇妙な性質が、新たな量子
液体(注２)として世界中で注目されて研究されています。しかし、このようなスピンや軌道の量子液体状態
は不安定であることが知られており、磁性体の構造の乱れや変化等により凍結すると考えられてきました。

今回我々は銅酸化物の研究から、銅原子の持つ電子の軌道とスピンの協力現象を制御することで、固体
中で乱れに強い一種の量子液体状態を実現できることを突き止めました。これらは、東京大学物性研究
所で作成及び基礎物性実験により精査した純良試料を用いて、大型放射光施設SPring-8 を用いたＸ線
回折実験（名古屋大学）、電子スピン共鳴実験（大阪大学極限量子科学研究センター）、ミュオンスピン
共鳴実験（注４）（日本原子力研究開発機構）等の最先端の実験技術の多角的な活用により初めて
明らかになりました。この成果は東京大学物性研究所、名古屋大学、大阪大学極限量子科学研究
センター、カリフォルニア州立大学、日本原子力機構、琉球大学、バンデュン工科大学、米国国立標準
技術研究所、メリーランド州立大学、ジョンズ・ホプキンス大学の共同研究によるもので、米国科学誌
『サイエンス』に5月4 日に掲載されます。
>>2辺りに続く

名古屋大学研究教育成果情報　2012/05/07
http://www.nagoya-u.ac.jp/research/pdf/activities/20120507_engg.pdf?20120506

固体中の陽イオンはその電子エネルギーを下げるために、周囲の陰イオンの配置の対称性を自発的に破る
性質を持ちます。これらはヤーンテラーイオンと呼ばれます。銅イオンはその典型例であり、銅酸化物ではこの
歪が巨視的に現れるヤーンテラー相転移を示すと考えられてきました。今回われわれが着目した物質（Ba3
CuSb2O9、図１）は、協力的なヤーンテラー相転移を低温まで起こさない初めての例であるばかりでなく、
さらにスピンも極低温まで動的な液体状態を示すことを明らかにしました。これはスピンと軌道が協力して、
局所的に量子力学的な一種の共鳴状態を形成したためであると考えられます(図２)。

このような乱れに強い量子液体状態を示す物質の発見は、量子コンピュータなど量子情報の制御の基盤
形成に必要な物質開発に一つの指針を与えると期待されます。

４．用語解説：
（注１）磁性体・磁気秩序・強磁性体
磁性体とは、内部に各電子の回転運動に起因した微小な磁石（スピン）を有する物質である。通常冷却
すると、巨視的な数の電子スピンが何らかのパターンで整列する磁気秩序を示す。主として、磁石としての
巨視的な磁化を示す鉄・コバルト・ニッケルなどの強磁性体、磁化が内部で打ち消されている反強磁性体、
スピンが秩序化しない常磁性体などに分類される。

（注２）スピン液体、量子スピン液体
磁性を担うイオンに束縛された各電子のスピンの向きが、時間的にも空間的にも一定の方向に留まらず、
揺らいでいる状態をスピン液体と呼ばれている。特に量子揺らぎのためにスピンが固体にならず、絶対零度
まで液体である場合、量子スピン液体と呼ばれる。

（注３）幾何学的フラストレーション
下図は正三角形の頂点上にある矢印が電子スピンを表す。矢印は上下の向きを取れるとして、隣り合う
スピンは必ず反対向き（反強磁性的）にしかとれないとすると、どうしても配列が一つにさだまらず、スピンは
フラストレーションを感じる。このように、三角形を基調とした構造を持つ磁性体は、その構造ゆえにすべての
スピン対に好まれる関係を完全には充足できない。このことを幾何学的フラストレーションと呼ぶ。

（注４）ミュオンスピン共鳴実験
加速器によって得られる素粒子ミュオン（μ）を用いた磁気測定手法。ミュオンを試料に打ち込み、ミュオンの
小さな磁石としての性質（スピン）を利用して超高感度で磁気秩序の有無を検出する。（以下略）

Spin-Orbital Short-Range Order on a Honeycomb-Based Lattice
S. Nakatsuji, K. Kuga, K. Kimura, R. Satake, N. Katayama, E. Nishibori, H. Sawa, R. Ishii, M. Hagiwara,F. Bridges,
T. U. Ito, W. Higemoto, Y. Karaki, M. Halim, A. A. Nugroho, J. A. Rodriguez-Rivera, M. A. Green, and C. Broholm
Science 4 May 2012: Vol. 336 no. 6081 pp. 559-563 DOI: 10.1126/science.1212154
http://www.sciencemag.org/content/336/6081/559.abstract

関連ニュース
【物理】京大など、極低温の原子気体を用いて物質の新しい量子状態を作製に成功
http://toki.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1312641063/-100

ターミネーターがアップはじめました

↓デデンデンデデン

専門的過ぎる どんな製品に 還元されるか分からん。

誰か分かりやすく。

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オドー

>>6
電気は流れるけど、磁界が生まれない。

絶対とか使わないほうがいいよ

なんで固体になると対称性が敗れるのか早く

絶対温度0.02度ｗｗｗｗｗｗｗ

どうやって物理法則の限界近くまでそんなに冷たくすることできるんだ？

>>9
なんか凄いようなかなり

>>12
断熱消磁やレーザー冷却といった方法を使う
冷凍機でも1〜10Kくらいまでは冷やせる

耳かきに載るような試料しか冷やせないが。

流動している水がマイナス１０度とかで凍らないのに。

そんなの知らないとか無学だな。

よくわからんが、凄いのはわかった。

量子論最強ってことで

>>1
どゆこと？
液体ヘリウムの超流動とは違うの？

温度って分子の運動だよね
なんでそこまで下がって固まらないのか不思議すぎるんだが
これノーベル賞モノじゃね？

モービルワン涙目？

なるほどタナトスとヒュプノスの冥衣の原料か
これを凍結させるには絶対零度の数百倍の凍気をもってせねばならんのだ！

>>20
モービルワンに約30テスラの磁力を与えてみるんだ！

>>1
で、それがなんの役に立つのかね?

>>23
>>2　に書いてある

レス少ないなｗ。俺もワカラン。

これがゴールドクロスの素材

　じ　　つ　　に　　く　　だ　　ら　　ん。

>>19
固体液体と温度・分子運動との関係をどう考えてるのかな。

バカですまん。内容どころか用語の解説の用語すらわからん。

どうでも良いけど絶対零度近くまで冷やす必要があるデバイスが
実用化できるわけ無いじゃんと

>>12
これでも暖かいほう

>>30
>どうでも良いけど絶対零度近くまで冷やす必要があるデバイスが
>実用化できるわけ無いじゃんと

JR東海

>>28
他人だが
(絶対)温度が0度に近くなるほど分子の運動エネルギーは極限に小さくなる。
温度が高いほど気体に低いほど固体になる。
物質ごとにある温度における状態が異なるのは
分子間力の差であったり分子構造の違いによる振動の差があるから。
っておかしいかね?

なんかスピンリキッドに対して誤解を生みそうなスレタイ

>>30
宇宙空間とかで使える可能性はないのか?

30T…カエルが宙に浮くのが何Tだっけ?

絶対零度ってエネルギーが最低で原子が止まっちゃう状態だっけ
温度の上限はいくらでもある（？）のに下限は人類が突き止めてちゃってるのがなんだかな〜って思う
全宇宙でどんな現象が起きようとも絶対に絶対零度以下にはならないんでしょ？

スピンは３次元におさまらないからじゃね？

>>37
量子論的には絶対零度でも分子運動はなくならないよ。

それに、人間が決めた温度の定義から下限ができているのに突き止めたというのはなんだかな。
絶対零度を作り出すことはできないのに。

作り出すことはできないけど、これが限界だろ？っていう限界でよければ理屈上の上限も決まるよ。
速度の限界（光速）があるからね。

どういうモデルを選ぶかで異なるけど、例えば上限は
「（プランク質量）×（光速度の自乗）÷（ボルツマン定数）」
[2.176×10^(-8)]×[(2.998×10^8)^2]÷[1.381×10(-23)]
＝ 1.416×10^32　だってさ。

実用、第一弾、幽霊の補則

>37
下限が0K ってのは熱平衡状態
過渡的な非平衡状態であれば負温度なんてのも定義できる

＞39
量子論的に分子運動がなくならないから、絶対零度にはならないって言うことだろ。

スピンリキッドの研究が、将来的にいわゆる半導体エレクトロニクスの効率化につながる基礎研究の一つであろうことは想像できるけど
その先にあるサイエンスがどういうものか、どういった新しい物理領域が生まれつつあるのか門外漢にうまく伝わらないのが
この種のプレス発表の痒さの原因だと思う

超電導以上の超電導？

ヘリウムの超流動や
超伝導物質の超伝導とは別の
磁性体絡みのもう一つの安定した量子液体現象

かな

>>37
対数で考えると低温方向もフロンティア

宇宙は今後も絶対零度に向かってずーーーーーーーーーーーーーっと冷え続けていくけど
絶対温度0.00000000000000000000000000000001度とかで絶対零度には達しないんだろ？

ゴールドクロス

しかもこの環境でクマムシは生きていられるらしい

関係ないけどクマムシはなんであんなにロボチックな外見なんだ。
宇宙人のナノマシンか何かか？

熱素が１つもない状態が絶対零度。

>>1
なるほどね〜

東大の発見！　と聞いて飛んできますた！

・・・その結果は言いません！

完全な真空が作れたらその空間の温度は0(ゼロ)K(ケルビン)になる？よね？

>>55
空間そのものの温度って定義できるのか?

>>30
クライオポンプ

すごい効率のバッテリーとか作れそうだな
何故お前らテンション低いんだ？

>>56
絶対零度の真空でも零点輻射と呼ばれる電磁場その他の零点振動が存在する。

>>58
よく分かってないから

これを使って○○が実現しそうってのがわかれば
もっと騒ぐと思う
頭いい人はぱっとわかると思うけど

「極低温でも電子の軌道角運動量とスピンが秩序化しない物質を発見した」
って一言ですむ話じゃないの？

過冷却現象じゃないのか

>>62
いや、磁場をかけてもスピン(=微小磁石)の量子液体状態が壊れない、という点がこれまで有機材料で観察されていた現象との相違点。

でもどっかの研究室でたまたま固体になった電子が発見されると、他の研究室でも固体化するようになっちゃうんだろ。

文盲か

>>9
磁界は生まれるけど磁化しないんじゃ？

>>56
電磁場の温度とか

重力場も温度もてるだろうしな

エネルギー E と エントロピー S が決まれば、熱力学的温度 T は 1/T ＝ d S / d E で与えられる。

空間に関しては、何も無い真空状態の空間にも、真空エネルギーや真空エントロピー(謎)があるとする仮説を取り込まないと、温度なんて決めようが無いだろ常識的に。

逆に仮説を取り入れれば「温度みたいなもの」が付帯的に付いてくるんだから、
そもそも温度を持ち出すのがマヌケってこと

>>39
速度cに対応する温度は無限大に発散するから
その意味での上限はない。
別の意味での上限はあると考えられているが。

よー分らんがドエリャーすごい発見と言う事は確かだかね