【磁性体】MITら、量子スピン液体状態の磁性体を実験で確認

マサチューセッツ工科大学（MIT）を中心とする研究チームが、「量子スピン液体」と呼ばれる状態にある磁性体の存在を実験で確認した。
量子スピン液体状態の磁性体は固体の結晶だが、物質を構成する個々の粒子の磁気方向が低温でも秩序化されずに絶えず変動しており、
あたかも液体中の分子のように振舞う。
強磁性、反強磁性につづく第三の基本的な磁性の状態であるとされる。2012年12月19日付けの Nature に論文が掲載されている。

今回報告された量子スピン液体状態は、ハーバートスミス石という鉱物の結晶中で発見された。
ハーバートスミス石は、カゴメ状の結晶格子構造を持つ化合物 ZnCu3(OD)6Cl2 で、スピン1/2の反強磁性材料。
研究チームは昨年、ハーバートスミス石の大型で高純度な結晶の作製に初めて成功し、
その特性を調べる中で、量子スピン液体の特徴である「分数量子数を持つスピノン励起」を確認した。

分数量子数を持つスピノン励起は、中性子散乱法によって測定された。
測定には、米国立標準技術研究所（NIST）の中性子スペクトロメータを使用した。
実験では、低温下におけるスピンの励起の連続体化が観測された。
この現象は、秩序化された反強磁性体において観測される通常のスピン波とは対照的なものであり、スピン状態の分数量子化を強く示唆するものであるという。
このような分数スピン励起の兆候は、これまでは1次元系の材料でしか観測されたことがなかった。

中性子散乱法で測定したハーバートスミス石の結晶中での磁気効果 （Credit: NIST）
図は、ハーバートスミス石の結晶中での磁気効果を画像化したもの。
緑色の領域が、NISTのマルチアングル結晶スペクトロメータ（MACS）による測定で中性子の散乱度が高くなった部分を表している。
低温で強く秩序化される通常の磁性体では緑の領域はぽつぽつと散らばった点にしかならないが、
量子スピン液体のような秩序化されていない磁性体では試料全体に緑の領域が揃って表れるという。

量子スピン液体についての基礎研究が実用レベルで応用されるまでには長い期間を要すると考えられるが、
いずれは長距離量子もつれ現象を利用したデータストレージや通信技術の開発につながる可能性がある。
また、高温超伝導の研究にも大きな影響を与えるとみられている。

ソース：MITら、量子スピン液体状態の磁性体を実験で確認　/SJNニュース
http://sustainablejapan.net/?p=3344

イメージ：
MITが作製したハーバートスミス石の大型高純度結晶。7mm径の結晶で重さ0.2gだが、結晶成長には10か月かかったという （Credit: MIT）
http://111.89.136.85/app-def/S-102/wp/wp-content/uploads/2012/12/20121219095219-0-300x225.jpg
中性子散乱法で測定したハーバートスミス石の結晶中での磁気効果 （Credit: NIST）
http://111.89.136.85/app-def/S-102/wp/wp-content/uploads/2012/12/QSL-300x144.jpg

今北産業

最近の記者は量子コンピュータに無理やり誘導しなくなったのね。

良くわからんから誰かエロい言葉で3行で説明してくれ

あーあれねやっぱこういう事だったか

磁性素粒子を早く確定しなはれ
たぶん電子の素でもあるはず

これはヤバい・・・

固体の結晶なのに、中はヌルヌル
0、1の磁性面のある結晶なのに、液体中の分子のように相互干渉するから不安定
出産に10ヶ月かかった

こんな感じ？

磁気相転移

ぐぬぬ・・・
物理科卒なのにさっぱり分からんｗ

カゴメ格子での量子スピン液体は理論の予測はかなり前
それがようやく実物で再現できたお話
何が起こってるのかはスピンフラストレーションの説明から入ったほうが理解しやすいと思う

スピンは上向きと下向きしか取れない
さらに隣り合うスピンは逆向きになりたがる
つまり一列に並んだスピンだと

↑　↓　↑　↓　↑　↓　↑　↓　↑　↓

こういう配列になろうとする
では次の○の位置に新しく電子(スピン)を置くとどちらの向きになるか

↑　↓　↑　↓　↑　↓　↑　↓　↑　↓
　○　○　○　○　○　○　○　○　○

簡単のために端の部分だけ考えると

↑　↓
　○

右の↑は○のスピンを↓向きに置こうとする
左の↓は○のスピンを↑向きに置こうとする
両方同じだけ向きを揃えようとするがでもスピンはどちらか一方しか向けない
そのために○の位置のスピンが不安定(フラストレーション)になる

このフラストレーションが結晶のいたるところで起こるのが三角格子やカゴメ格子といったもの
結晶全体がフラストレーションになっているので秩序化されず絶えず変動して液体みたいだから量子スピン液体
これの実現には不純物や格子の歪みの問題が困難だったけどこれを乗り越えて実現したのが今回の報告

これと同じ事を別の物質でやろうとしてたのが東大にいるのでそっち見た方が早いかもしれない
ttp://hiroi.issp.u-tokyo.ac.jp/saito/Research/entori/2012/1/26_xinshiikagome_wu_zhibeshinie_shiwo_jiantsuketa.html

上のurl参考にしながら書いたけど専門じゃないのでミスがあるだろうから随時指摘お願いします

自発的対称性の破れ

＞＞12
なるほどわからん。ありがとう。

んーと要するに巨視的な量子現象が見られるってことかい？

>量子スピン液体状態の磁性体は固体の結晶だが、

液体の固体の磁性体の・・・つ、ついて行けません＞＜

法学専攻だったが、分かるのでははない！
心で感じているのだ！
要するにこれは素晴らしい研究で、人類の将来に役立つ研究ということだ！
量子でテレポーテーションも可能になるということだ！
それぐらいは理解できる！

磁区が流体のように振舞うとイメージした

＞強磁性、反強磁性につづく第三の基本的な磁性の状態であるとされる。

ここも理解できてるのか怪しいわ　俺・・・

>>11
いったいなにを言ってるんだ？

諏訪湖の神渡り

元をた度っていけばエネルギーなんだから固体も液体もないだろうに

>>12
むしろ対称性が破れてないから液体状態なんだが

>>14
巨視的な量子現象が何を指してるのかにもよるけど量子レベルの現象がマクロな物性に影響を与えるって意味ではそう
巨視的に一つの量子状態に落ち込んでいるという意味では違うと思う

>>15
液体ってのは不安定って意味ぐらいに捉えると吉
実際液体のように相互作用はあっても秩序の無いってくらいの意味だし
物質としては磁性体の固体で電子のスピン状態は不安定な液体

>>19
おかしいところ、もしくはわからんところがあるなら言ってくれれば訂正・説明するぜよ
寝るまでの時間だけど

なんかベクトル解析のイメージみたいな感じだな

もうノーベル賞候補来たなｗｗｗ
この磁気に関する研究はお前らが思ってる以上にうんと凄い研究なんだぜｗ

次は、超電磁ヨーヨーだな

>>11のおかげで、とりあえず要点だけは分かった。�d。

マサ大

あ…もう寝ようと思ったら>>11にアホなミス発見

> 右の↑は○のスピンを↓向きに置こうとする
> 左の↓は○のスピンを↑向きに置こうとする

じゃなくて

左の↑は○のスピンを↓向きに置こうとする
右の↓は○のスピンを↑向きに置こうとする

が正しいです…右と左を間違えるとか何やってんだろ俺…

分数量子数って言ってるけど分数量子ホール効果と何か関係があるんすか

動物に例えると？

MITが作製したハーバートスミス石の大型高純度結晶。
http://111.89.136.85/app-def/S-102/wp/wp-content/uploads/2012/12/20121219095219-0-300x225.jpg

天然のハーバートスミス石？（Google画像検索より）
http://www.westatic.com/img/dict/ktkbt/~ug7s-ktu/herber.jpg

なんか天然の方が純度が高そうに見える

>>11
わかりやすいよ

要するに、時間と空間と重力は同じなのよ

モンスーノ理論の初歩の初歩

物性は分かってる奴居なさすぎて辛いな
素粒子は何だかんだで一般人もちょっとは興味持つみたいだが

超量子ロボまだ？

さっぱり理解できん

佐野量子の脳みそが液体状になることだろ

Ｄが入ってるのは中性子使うからか。しかし、この類の研究は理論が理解し辛いし、何の役に立つか分からん。こういうスピントロニクスの研究者はどういうモチベーションなのかな

>>11
素人だけどなんとなくわかったよ有難う

つまり「磁性を持つ」という事は電子のスピン(1/2)が
互い違い(↑↓)に綺麗揃う事で生まれるんだよな？

電子のスピンが綺麗に揃いベクトルを持つと磁石になると
そのベクトルが揃わないカオスな状態だと磁性が生まれないんだな？


で今回の実験は

綺麗に電子のスピンが揃った状態に、余分な電子を加えると
その余分な電子のスピンが、↑か↓か定まらず
スピンのベクトルが揃ったり、カオスになったりと変動する事で、磁性も不安定になると

磁性を持ったり持たなかったり、変動するそういう物質を作りましたよ。

という解釈で大体OK？

大体合ってない

>>41
じゃ説明してくれ

>>42
> つまり「磁性を持つ」という事は電子のスピン(1/2)が
> 互い違い(↑↓)に綺麗揃う事で生まれるんだよな？
電子スピンが逆向きと言うことは磁気モーメントも逆向きで
互いにキャンセルし合うため磁性は生じない

スピン液体の場合も同様に磁性は生じない

ぜんぜんわからないので
知ってる言葉を組み合わせてテキトーなことをいってみる
スピン間の相互作用がスピン方向の秩序をもたらさないのは
2個のスピンがクーパー対のようなペアになっていて相互作用をキャンセルしてるからだ

よー分からんがこういう記事って読んでるだけでワクワクするな

俺も一番最初は親父の液体だったよ。

ノーベル物理学賞級の発見なのか、そうでないのかくらい知りたい。
素人にはそのくらいしか判断基準ないし。

>>43
なるほど有難う

佐野量子がフラストレーションたまった状態だよ

なるほど。武豊って淡泊そうだもんなぁ

>反強磁性
これが既に理解できん
弱い磁性じゃないんだろ？
でも強いの反対は弱い打よな・・・

そんなんその単語検索すりゃすぐ出てくるだろ

>>47
量子スピン液体の候補物質を見つけたって話なのでノーベル賞なんて無理だと思う
候補物質は他にも何個か見つかってるはずだから

>>11
確かに液体とは名ばかりだど、分数量子化って何よ？

>これと同じ事を別の物質でやろうとしてたのが東大にいるのでそっち見た方が早いかもしれない
>ttp://hiroi.issp.u-tokyo.ac.jp/saito/Research/entori/2012/1/26_xinshiikagome_wu_zhibeshinie_shiwo_jiantsuketa.html

「ベシニエ石が量子スピンカゴメ格子反強磁性体であること、-271℃（絶対温度２K）という
低温領域までスピンが揃わず、ある種のスピン液体状態（ギャップレススピン液体）にある
ことを発見しました（図2）。」だと、>>1は別の手法での追試レベル？

>>54
分数量子化は量子統計が分数統計になること
量子スピン液体ではフェルミオンでもボソンでもないエニオンと呼ばれる分数統計に従うようになる
なんでそうなるのかは俺も詳しくは知らないし難しすぎて説明できませぬ…

あと東大の研究はまだ量子スピン液体を実現できてはいない
でもそれっぽい反応は示してるからベシニエ石を改良して理想的な量子スピン状態にできるんじゃないかって話
ちゃんとした理論ではスピンが揃わない＝量子スピン状態とは厳密には違うっぽいから俺の簡略化した説明が混乱させたかもしれん
んでこのMITのは理想的な量子スピン状態の特有の反応である分数量子化の効果が見えてるから量子スピン状態が実現できた証拠だって言ってる
なので追試ではなくむしろ先行されちゃった感じ

…だと思う
最初に書いたけど俺の専門は物性ではあれどちと分野が違うので細かな差異とかはすまぬがわからんのよね
誰か訂正とより詳しい説明よろ

ここで言われてる分数量子化って
異常量子ホール効果で出てきる分数と同じもの考えていいの？

先生！　いつになったら　超電磁ヨーヨーが実現しますか？

>>56
ちょっと調べてみたけど異常量子ホール効果って分数出てくる…？
それとも分数量子ホール効果のこと？

和牛の霜降り

>>58
ごめん。分数量子ホール効果のことです。

>>60
それなら一応違うものを指してる
分数量子ホールの分数はホール伝導度が分数に量子化することで単語の意味としては分数統計のことではない
けど分数統計を使って何故分数量子ホール効果でホール伝導度が分数になるのかを説明できるらしいから根っこは同じとも言える

>>61
ありがとう。少し分かった。

おまんら！ゆるさんぜよ

>>55
>分数量子化は量子統計が分数統計になること
>量子スピン液体ではフェルミオンでもボソンでもないエニオンと呼ばれる分数統計に従うようになる
>なんでそうなるのかは俺も詳しくは知らないし難しすぎて説明できませぬ…

フェルミオンとボソンで既に1/2量子化されてるし、クォークでは1/3量子化だよね？

任意の自然数nに対して1/nスピンとか1/n電荷とか出てくるとか、そういう話？

この記事、ニュー速で「磁石にＳとＭ以外もあった」とか珍妙なスレタイつけられてたｙ

SとMねえ…ｗ

ここまでモノポールなし

モノポールはあるよ！

正直こんな研究誰も理解できんだろ。何の意味があるんだよ。無駄すぎ。

>>1
わけのわからない内容
マサチューセッツ
正体不明の石
構造と性質が未知

とくれば役満だろ？
そのうちミスカトニック大学が引き取りにくるレベル


> 今回報告された量子スピン液体状態は、ハーバートスミス石という鉱物の結晶中で発見された。
> ハーバートスミス石は、カゴメ状の結晶格子構造を持つ化合物 ZnCu3(OD)6Cl2 で、スピン1/2の反強磁性材料。
> 研究チームは昨年、ハーバートスミス石の大型で高純度な結晶の作製に初めて成功し、
> その特性を調べる中で、量子スピン液体の特徴である「分数量子数を持つスピノン励起」を確認した。

分数統計粒子になってる状態では
中性子散乱が試料全体に広がって見えるというのは
どういう理屈なんだろうね？？

既に酸素が磁性を帯びるのは有名なのに何で今更とおもったら

記者の題名の付け方がマズイんだな

そうでもない

>>72
それって液体酸素が磁石にくっつくって話でしょ？
量子スピン液体とは関係ないじゃん

>>35
物理学会のレベルで話が通じる人間は
物性よりも素粒子の方が圧倒的に数が少ないんだけどな

超流動　：　原子の座標に関する巨視的量子状態
量子スピン液体　：　磁気モーメントの向きに関する

ほとんどの物質は温度を下げたら固体になるが、
ヘリウム4は絶対零度まで液体。そうなる原因は零点振動。

ほとんどの磁性物質は温度を下げたら磁気モーメントの向きが
集団的に整然と揃う（全部同じ向き、互い違いなどパターンは色々）が、
絶対零度まで揃わない物質系の可能性が理論的に予想されていた。
液体になる原因は近隣の磁気モーメントとの相互作用の
フラストレーション。