異方的量子スピンジグザグ鎖モデルの予測を実験的に実証

―新たな物質機能性の実現が期待―

2025年8月 7日 14:00

研究者情報

〇大学院理学研究科物理学専攻
助教　堀文哉（ほりふみや）
研究室ウェブサイト

発表概要

京都大学大学院理学研究科の堀文哉 博士課程学生（現：東北大学大学院理学研究科 助教）、松平広康 博士課程学生、北川俊作 同准教授、石田憲二 同教授、広島大学大学院先進理工系科学研究科の鈴木大斗 博士課程学生、鬼丸孝博 同教授の研究グループは、近年提案された異方的量子スピンジグザグ鎖モデルの予測を実験的に実証しました。
固体物理の分野では、通常の磁性体では見られない秩序状態や準粒子¹の研究が注目されています。以前、同研究のグループは希土類のイッテルビウム（Yb）原子がジグザグ鎖を形成する磁性半導体YbCuS₂において、格子間隔と非整合な周期をもつ磁気秩序（非整合磁気秩序）と電気的中性な準粒子を発見しました。この現象を説明する新たな理論モデルとして、異方的量子スピンジグザグ鎖モデルが提案され、いくつかの予測がなされていました。
本研究ではYbCuS₂において、高圧下で銅（Cu）核の核四重極共鳴（NQR）測定²を行いました。その結果、上記の理論モデルの予測と一致する基底状態の変化が観測されました。この高圧下での磁気状態は「奇パリティ磁気多極子秩序³」と呼ばれる特殊な状態です。さらに、以前発見した中性準粒子を圧力で制御できることが分かりました。これらの成果は、理論モデルの妥当性を深めるだけでなく、スピントロニクス、マルチフェロイクス⁴材料や量子コンピュータといった次世代デバイスへの応用が期待されます。
この成果は2025年8月1日付けの学術誌「Communications Materials」電子版に掲載されました。



YbCuS₂の圧力による状態変化と理論予測[1]との比較。

用語解説

1．準粒子: 素粒子ではないが、物質中で現象や振る舞いを表現するために導入される仮想的な粒子。物質が示す最もエネルギーが低い状態（基底状態）から少しエネルギーを与えた状態（励起状態）は、ほとんど相互作用のない準粒子が付け加えられた状態としてみなすことができる。
2. 核四重極共鳴（NQR）測定: 原子核の性質を使って、電子の状態を調べる測定方法。原子核をプローブとして電子状態を乱さずに局所磁場や低エネルギーのスピンゆらぎを観測できる。
注3. 奇パリティ磁気多極子秩序: 3次元の空間座標(x, y, z)を(-x, -y, -z)に変換する操作を行ったときに元の状態から変わることを「空間反転対称性が破れている」という。また、スピン（角運動量）を反転したときに元の状態から変わることを「時間反転対称性が破れている」という。「奇パリティ磁気多極子秩序」は空間反転対称性と時間反転対称性の両方が破れた特殊な秩序状態のことを指す。
注4. スピントロニクス、マルチフェロイクス: 半導体において電子が持つ電荷の流れを制御してさまざまな機能を引き出す技術をエレクトロニクスと呼び、磁気をもたらすスピンの性質も利用するエレクトロニクスの分野を「スピントロニクス」と呼ぶ。さらに、強誘電性（電気分極）と強磁性（磁石の性質）など、複数の秩序状態が一つの材料中で共存し、互いに強く結びついている特殊な状態を利用する分野を「マルチフェロイクス」と呼ぶ。

論文情報

タイトル：Pressure Evolution of Magnetic Structure and Quasiparticle Excitations in Anisotropic Frustrated Zigzag Chains（異方性フラストレートジグザグ鎖における磁気構造と準粒子励起の圧力変化）
著者： Fumiya Hori, Hiroyasu Matsudaira, Shunsaku Kitagawa, Kenji Ishida, Hiroto Suzuki, Takahiro Onimaru
掲載誌：Communications Materials
DOI：https://doi.org/10.1038/s43246-025-00888-y

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学大学院理学研究科物理学専攻
助教 堀 文哉（ほり ふみや）
Email：fumiya.hori.b5*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学大学院理学研究科
広報・アウトリーチ支援室
TEL：022-795-6708
Email：sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）






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