平成２７年
年１２月２８日日
キーワード：強キ
相関系、磁気気共鳴、量子スピン軌道液液体、軌道量子子揺らぎ、強磁場多周波数数 ESR～量子コンピュータなどのの基盤形成成に必要な物質開発
発へ道～

強磁
磁場により軌道量量子揺らぎの時間スケ時
ケールを 初観測
測！
研究成果
果のポイントト■ 前例のない広い周波波数と磁場範範囲を有する強強磁場磁気共共鳴装置で、電電子の軌道状状態のダイナミクスを解明■ 軌道液
液体を特徴づけける軌道揺らぎの時間スケケールが 1000 ピコ秒（1 兆分の 1 秒）程程度であることとを初めて解明
明■ 新たな物
物質のデザイインが可能とななり、量子コンンピュータなどの基盤形成にに必要な物質質開発につながると期待

概要
大阪大学
学大学院理学
学研究科附属
属先端強磁場場科学研究セセンターの萩萩原政幸教授
授と同研究科物物理学専攻中
野岳仁助
助教、野末泰夫
夫教授らのググループは、東東京大学物性性研究所中辻辻知准教授らののグループ、華中科技大学
学
道が凍結せず
韓一波(YYibo Han)准教教授との共同
同研究により、 銅酸化物において、低温温まで電子軌道ず、量子揺らぎにより揺動動した状態を観測し、強磁磁場下で多周 波数にわたる
る磁気共鳴実実験により、そその揺らぎの時時間スケールを初めて明明らかにしました
た。
物質を構構成する電子子の持つ多自自由度(スピンン・軌道・電荷荷) のうち、スピ
ピン自由度注 1)が最低温ままで凍結しない『量子スピピン液体注 ２)』状態の実現』
現は、多数の原原子やイオンかからなる凝集集体（結晶やガガラス等）を扱扱う凝縮系物理理学における到達点の一一つとされます
す。金属酸化化物の代表的な結晶構造でであるペロブス
スカイト型構造
造注 ３) を有す
する
銅酸化物物においては、スピン自由度度に加えて軌
軌道自由度注 1)も最低温まで凍結しないい『量子スピン軌道液体』（図１）実現のの可能性が指指摘され、良質質な試料を使使った本グルーープを含む共同研究から、 これまで軌道道凍結のサイインであるヤーーン・テラー歪歪注 4)が最低温温まで生じなないことが明らかにされていいました。しかししながら、軌道道状態のダイナミクスの観観測等、量子子スピン軌道液液体の直接的的な証拠はありりませんでした
た。

図１．軌道液図体状態の模 式図。青い楕楕円体が銅の軌道で、赤の酸素の軌道をを表し、伸びい楕円体が酸縮みして動い縮ているためににその平均構構造を示している。
い

今後、本
本研究成果にに基づいて、『『量子スピン軌軌道液体』状態態を実現するる新たな物質 のデザインがが可能となり、量量子コンピュュータなど量子子情報制御のの基盤形成にに必要な物質開発にも影響響を与えると期期待されます。
本研究
究成果は、201
15 年 11 月 16 日 (米米国東部時間間)に、米国物物理学会誌「PPhysical Revview B (RappidCommunications) 」ののオンライン版版で公開されまました。

研究の背背景1973 年
年にアメリカのの物理学者 P.W. Andersonn によって電子子の持つスピンン自由度が最最低温まで秩序化しない『量量子スピン液液体』の概念念が提案されてて以降、実際際の物質例をを求めた開発研研究が日夜行行われていまます。本共同研
研
究グルーープでは、スピンンに加えて軌軌道にも自由度度があるペロブ
ブスカイト型銅銅酸化物 6H-Ba3CuSb2O9 において、ス
スピンと軌道がが絡み合ったた新しい量子液液体状態『量量子スピン軌道道液体』状態がが実現していいる可能性を見見出し、純良な大型単結結晶を用いて低低温でも軌道道状態の凍結結を示すヤーン
ン・テラー歪をを生じないこととを発見しました。しかし、この『量子ス
スピン軌道液液体』の直接的的証拠となる軌軌道揺らぎのの時間スケールルはわからずず、そのダイナミミクスは不明のままでしたた。
今回の研研究では、ペペロブスカイト型型銅酸化物 6 H-Ba3CuSbb2O9 の良質なな大型結晶をを用いて、大阪阪大学にある強強磁場施設設の広い周波数範囲を有すする電子スピピン共鳴(ESR)) 注 5)測定装置
置を用いた研研究によって、低い周波数での観測ででは軌道が最低低温まで凍結結せず、高い周周波数では軌軌道が凍結したたように観測さこの結果から軌軌されました。こ道量子揺揺らぎの時間ス
スケールが 202 ケルビン以以下で 100 ピコ秒（1ピ兆分の 1 秒）程度度であることをを明らかにしまました（図２）。
。この成果はは、超伝導やヘヘリウムの超流流動と比類すする『量子スピン軌道液体』』という新しい量子液体状態態のダイナミミクスを明らか
かにしたものでで、強磁場を用用いて初めてて可能となったた研究成果でであります。

図２．観測した周波数ννEM と軌道のの揺らぎの周波波
温度(Temperrature)変化ののグラフ。丸印
印
数νJT の温が各温度ででの揺らぎの周周波数を表しし、20 K 以下下で一定値（約 10 GHz, 1100 ピコ秒）にになる。

本研究成
成果が社会会に与える影影響（本研究究成果の意義義）
純良単単結晶を利用しした物性研究
究により、スピンン自由度と絡絡み合った軌道のダイナミミクスが明らかかになり、新しい量子液体体状態の揺らぎぎの時間スケケールがわかりりました。今後後、この成果にに基づいて、『『量子スピン軌軌道液体』状態態を実現すする新たな物質質のデザインが可能となりり、量子コンピピュータなど量量子情報制御
御の基盤形成成に必要な物質質開発にも影影響を与えるると期待されまます。

特記事項
項
本研究成
成果は、米国物物理学会誌 「Physical Reeview B (Rappid Communications)」に掲掲載されましたた。
（オンライイン版は 11 月 16 日に公表表されました。
。）
論 文 名 ： “ Observatiion of the orbital quanntum dynamics in the spin-1/2 h exagonal anntiferromagnet
Ba3CuSb2O9”
用語説明
明
注 1)

スピンン自由度、軌道道自由度

電子は電電荷と共に小ささな磁石の性性質を持ち、そそれをスピン自自由度（スピンンあるいはスピピン角運動量量）と呼称するる。
また、電荷荷を持った電子子が原子核のの周りを回るこことにより、やははり小さな磁石石の性質をももつ。それを軌軌道自由度（軌軌道角運動量量）と呼称するる。一般に、低低温では物質質中のスピンもも軌道自由度も秩序化し配配列する。注 2)

量子ス
スピン液体

磁性を担担うイオンに束束縛された各電電子のスピンンの向きが、時時間的にも空間的にも一定定の方向に留留まらず、揺らいでいる状態がスピン液体体と呼ばれていいる。特に量子子揺らぎのためめにスピンが固固体にならずず、絶対零度ままで液体であある
子スピン液体とと呼ばれる。
場合、量子注 3)

ペロブ
ブスカイト型構構造

一般式 A
ABO3 で表されれる元素組成成を持つ、金属属酸化物の代代表的な結晶構造。本研究究で扱った 6H-Ba3CuSb2O9は上記組成成式にならってて Ba(Cu1/3Sbb2/3)O3 と書きき改めることがが出来る。6H-Ba- 3CuSb2O99 は CuO6 八面面体と SbO6 八面体が面共共有で連結されれた CuSbO9 ユニットと、孤孤立した SbO
O6 八面体が頂頂点共有でネ ットワーク構造造を形成した六六方晶複合ペペロブスカイトにに分類される。
注 4)

ヤーン
ン・テラー歪固体中のの陽イオンが電電子エネルギギーを下げるたために、周囲のの陰イオンの配置の対称性性を自発的にに破り低対称化化する現象ののこと。本研究究で扱った銅(II)イオンはヤ ーン・テラー歪歪みを引き起起こす性質を持持つヤーン・テテラーイオンの典型例としてて知られていいる。
注 5） 電子ス
スピン共鳴(ESSR)
物質を構構成する電子がが持つ小さなな磁石（スピンン）は磁場中でで独楽の首振振り運動のよううな歳差運動動を行う。この歳歳差運動の周周期に当たる電電磁波（通常常はマイクロ波波領域）が入射射すると電磁波の吸収が起起こる。これはは電子スピン共共鳴と言い、観観測されるシグナルは磁性性を持つイオ ンのまわりの状状況（歪んででいるかとか、どどちらにスピンンを向けやすいか）を反映すする。電子スピン共鳴は原
原子核スピン共共鳴(NMR)（世世間では MRI で知られる医医療装置で使使われている）の兄弟版であある。市販の装装置で最も用いられている 周波数帯は X-バンド (9 GHz)で、最高高周波数帯はは W-バンド(990GHz)である。大阪大学ででは 9 GHz から約か2000 G
GHz までの広広い周波数帯ででの測定が可可能であり、高高い周波数に応応じて高い（強強い）磁場が必必要であるのでで、パルス磁磁場を用いて約約 60 テスラままでの測定がが可能である。

本件に関関する問い合合わせ先
大阪大学大学院理学研究究科附属先端端強磁場科学学研究センター
教授 萩原 政幸（ハギワ
ワラ マサユキキ）〒560-0043 大阪府豊中市待兼兼山町 1-1
TEL：066-6850-668
85 FAX：06-6845-661 2
E-mail : hagiwara@aahmf.sci.osak
ka-u.ac.jp
東京大学 物物性研究所
准教授 中辻辻 知（ナカツツジ サトル）
〒277-8561 千葉県柏市柏の葉葉 5-1-5
TEL：044-7136-324
40 FAX：04-7136-324
41
E-mail : satoru@issp.u-tokyo.acc.jp