絶縁体中に磁場で曲がる熱輸送過程があることが判明 未知の磁性状態を研究するための新しい測定手法の発見
カゴメ物質ボルボサイトで観測された熱ホール伝導率（左軸）と磁化率（右軸）の温度依存性
温度と磁場で規格化され熱ホール伝導率(左軸)と磁化率(右軸)の温度依存性。磁化率が極大を示す温度付近でスピン液体の形成が始まります。その温度領域で熱ホール伝導率も大きくなっていることから、スピン液体の形成と熱ホール効果の発現が強く関係していることが示唆されます。
© 2016 Minoru Yamashita.
東京大学物性研究所の山下穣准教授らの研究グループは、電気の流れる金属中でしか観測されないホール効果と同様の現象が、電気の流れない絶縁体であるスピン液体状態で発見しました。これは謎の多いスピン液体状態を研究するための新しい研究手法を示す画期的な成果です。
磁場の中を移動する電子は、磁場から力を受けて（ローレンツ力）、その軌道が曲げられます。その結果、磁場の大きさに比例する電圧が現れることが知られています。ホール効果として知られるこの現象は、金属中の電子に対する基礎物性測定から、スマートフォンの中の磁気センサへの応用まで様々なところに利用されている現象です。このホール効果は金属中を流れる電子に対するローレンツ力がその起源であるため、電気の流れない絶縁体には存在しません。ところが最近、絶縁体中の磁性を担う「スピン」が類似のホール効果を示すことが理論的に提案され、注目を集めています。スピンは電気を運びませんが、熱を運ぶことができるため、このホール効果は熱ホール効果として観測されます。
今回、研究グループは、このスピンによる熱ホール効果を銅鉱物の一種であるカゴメ物質ボルボサイトにおける「スピン液体」の研究に応用して、スピン液体状態に熱ホール効果が現れることを見出しました。スピン液体状態はスピン同士が強く相関しているにもかかわらず絶対零度（マイナス273度）までスピンが磁気的な秩序を示さない未知の状態で、普通の磁性体とは異なる新しい現象が現れることが期待されていますが、その詳細は未だ謎のままです。本成果はこのスピン液体研究について、新しい研究手法を提案するものです。さらに、この熱ホール効果の大きさがスピン液体の形成と関連していることを初めて明らかにしました。これは熱ホール効果が生じることが、未知のスピン液体の形成と強く関連していることを示しており、今後のさらなる展開が期待されます。
「絶縁体のスピン液体に熱ホール効果なんて現れないと思っていたので、測定の間違いではないかと疑っていました」と山下准教授は話します。「検証には時間がかかりましたが、低温でスピン液体状態が形成されるにしたがって熱ホール効果が大きくなる現象が観測されて確信を得るようになりました。今後、この測定手法を様々な物質に応用することで、スピン液体の詳細を理解できるようにしたいです」と続けます。
論文情報
, "Emergence of nontrivial magnetic excitations in a spin-liquid state of kagomé volborthite", Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States America Online Edition: 2016/07/21 (Japan time), doi:10.1073/pnas.1524076113.
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