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From light years away

A whisper from an unknown

Altered density

古典力学では説明できない量子力学的な相関は量子エンタングルメント (量子もつれ) と呼ばれています。例えば、2 つのスピンを考えた場合、片方のスピンの状態が定まるともう片方のスピン状態もそれに応じて定まり、その距離には寄らないとされています。量子エンタングルメントに関する議論は Einstein-Podolsky-Rosen(1934) に端を発したものですが、その量子力学の本質をついた議論は、量子重力論への発展、近年注目されている量子コンピュータへの応用など最先端の研究へと繋がっています。


中辻・酒井研究室では量子エンタングルメントの状態を有する “量子スピン液体” やエキゾティックな“トポロジカル相転移”を伴った新奇な二次元磁気秩序の存在を示唆する振る舞いの観測に多数成功してきました。 以下では、我々が世界で初めて観測した、様々な種類の量子スピン状態を紹介していきます。

用語解説 (用語をクリックすると説明が展開します)



Spin–orbital liquid state and liquid–gas metamagnetic transition on a pyrochlore lattice

N. Tang, Y. Gritsenko, K. Kimura, S. Bhattacharjee, A. Sakai, M. Fu, H. Takeda, H. Man, K. Sugawara, Y. Matsumoto, Y. Shimura, J. Wen, C. Broholm, H. Sawa, M. Takigawa, T. Sakakibara, S. Zherlitsyn, J. Wosnitza, R. Moessner, S. Nakatsuji, Nat. Phys. 19, 92 (2023).

Crystal structures with degenerate electronic orbitals are unstable towards lattice distortions that lift the degeneracy. Although these Jahn–Teller distortions have profound effects on magnetism, they are typically unaffected by the onset of magnetic ordering because of a separation in energy scales. Here we show the contrary case in Pr2Zr2O7, where orbital degeneracy remains down to the millikelvin range due to an interplay between spins and orbitals. Pr2Zr2O7 is a multipolar spin ice with strongly localized 4f electrons in an even-number configuration, giving rise to a non-Kramers doublet that carries transverse quadrupolar and longitudinal dipolar moments. Our study of ultrapure single crystals of Pr2Zr2O7 finds comprehensive evidence for enhanced spin–orbital quantum dynamics of the non-Kramers doublet. This dynamical Jahn–Teller effect is encapsulated by the liquid–gas metamagnetic transition that is characteristic of spin ice being accompanied by strong lattice softening. This behaviour suggests that a spin–orbital liquid state forms on the pyrochlore lattice at low temperatures and low magnetic fields.


© The Author(s), under exclusive licence to Springer Nature Limited 2022

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