この度、沖縄科学技術大学院大学（OIST）の物理学の研究チームが、新たなスピン液体の存在を示唆する研究を発表しました。スピン液体は科学者の興味をそそる特異な現象で、磁性体における原子の磁気の方向が定まらずに揺らぎ続けます。OISTの研究チームの理論的発見はコンピュータ・シミュレーションによって検証されました。特に注目すべきは、このスピン液体の数学的記述は、自然の記述の基礎をなすゲージ対称性と重大な類似性を持っています。本研究を行ったOIST量子理論ユニットの研究者は、その成果をNature Communicationsに発表しました。
スピン液体は物理学者にはよく知られています。「スピン液体」という名称が誤解を招きがちですが、スピン液体は固体であり、原子の磁気方向が絶えず変動しているという意味で「液体」と呼ばれています。原子の磁気方向は、原子核を取り巻く電子の回転から発生する磁場によって決定されます。原子を図解する場合、磁気の方向は矢印で表され、ある特定の方向を指します。
物質の内部では、通常高温だとこの矢印が無秩序に様々な方向を指します。つまり、各原子の磁気の方向が異なります。逆に、物質の温度が下がると、通常、矢印は周期的なパターンを示すよう揃います。ところが、スピン液体は、低温でも原子の磁気の方向が絶えず変動する、特異な状態の磁性体です。
スピン液体は他の磁性体に見られる規則的なパターンを持たないために突き止めるのが困難です。そのスピン液体の新たな種類の存在が示唆されたことは大きな成果と言えます。研究チームによって理論上発見された新たなスピン液体の特徴は、各原子の磁気が周辺の磁気とどのように関連しているかを示す特有の内部構造にあります。
本研究におけるスピン液体の数学的な記述に、ゲージ対称性と強い関連性が見られる点が特に意義深いと言えます。ゲージ対称性は、物理学者が電磁気学のような基本的な自然の力の原理を理解する上で基礎となる概念です。スピン液体におけるゲージ対称性の発見は、異なる物理学分野の深い結びつきを明らかにする興味深いものです。歴史上こうしたつながりが、物理学者の視点から現実をどう解釈するかについて、新たな見解をもたらしてきました。
また本研究は、この特徴的なスピン液体をどのように実験で特定できるかを示唆しているという点でも興味深いと言えます。研究チームは、理論的発見をコンピュータ・シミュレーションにより検証した上で、中性子散乱実験によりスピン液体の存在を裏付けることができると予測しました。物質の周りにセンサーを設置し、その物質に中性子ビームを照射することで、当たった中性子がどのように散乱するかを示す3Dマップが得られます。研究チームの仮説が正しければ、パイロクロア格子をもつ特定の物質の3Dマップに「ピンチライン」と呼ばれる特徴的なパターンが見られるはずです。「ピンチライン」はたくさんの蝶ネクタイが重なったように見える珍しい形をしています。
研究チームは既にどの物質でスピン液体が確認できるか見当をつけています。スピン液体の中性子散乱実験のコンピュータ・シミュレーションでは、テルビウムチタン 酸化物Tb2Ti2O7の過去の実験結果と驚くほどの類似性が示されました。この物質でピンチラインが確認できれば、不思議なスピン液体状態の解明につながると期待されます。
こうした発見を実験で検証するまでにはまだ時間がかかりますが、本研究は、他の多くの発見につながる可能性を秘めています。論文の筆頭著者のオーウェン・ベントン博士は、「複数の原子の相互作用を研究し理解することで、トランジスタやレーザーの開発のように予測もしなかった発明がもたらされることが往々にしてあります。」と述べ、「身の周りで起きていることの理解が、イノベーションにつながります。」とその可能性を語りました。
