東北大学は4月25日、化学反応によって炭化水素分子に電子を導入することで、特異な磁気状態である「スピン液体」を作り出すことに成功したと発表した。

同成果は、東北大学材料科学高等研究所 コスマス・プラシデス教授、高林康裕助教、英国リバプール大学化学科 マシュー・ロゼインスキー教授らの研究グループによるもので、4月24日付の英国科学誌「Nature Chemistry」に連続する2つの論文として掲載された。

スピン液体は、1973年に初めてその存在が理論的に予測されたもの。同状態においては、温度の下限である絶対零度(－273℃)でも電子スピンが激しく動き続け、静止しない。しかし、理論的な予測に対して実験的にこのような特異な状態を実現することはきわめて難しく、候補となる物質は数例のみであった。また、炭化水素を原料とした電子材料の開発が盛んに行われているが、純度が低く、組成が不明であることが、研究の進展の妨げとなっており、材料の結晶化が大きな課題となっていた。

同研究グループは今回、温和な条件で進行する化学反応により炭化水素分子に電子を導入し、高純度の結晶を得る手法を開発。C14H10の組成を持つフェナンスレン、C22H14の組成をもつピセンとペンタセンを研究対象とした。

研究で対象とした3種類の炭化水素分子 (出所:東北大学Webサイト)

これらの新しい合成法を開発したことで物質の組成が明らかになり、スピン液体の候補となる現象の発見につながったという。

スピン液体となる炭化水素結晶の構造の模式図。 (左)三角形の頂点を共有した鎖状に配列した分子イオン。 (右)それと共存するらせん磁気チューブ。(中央)鎖とチューブの2つが絡み合うことで生じる、複雑な充填構造の投影図。各分子イオンは、灰色の矢印で示したスピンをひとつ持っている。このスピンは、絶対零度においてもゆらぎ続ける。図は、無数にあるからみあったスピン配向のひとつを示す (出所:東北大学Webサイト)

同研究グループは今回の成果について、炭化水素というごくありふれた物質によるスピン液体状態の発現であり、安価で身の回りにありふれた物質が高性能な電子材料、磁気材料に使える可能性が示されたことになると説明している。