電子スピンのふらつきと電子軌道の結びつきが明らかに - 東大

東京大学(東大)などは6月19日、マンガンとバナジウムの複合酸化物における電子スピンのふらつきを測定し、これが電子軌道の変化と結びついていることを明らかにしたと発表した。

同成果は、東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻 有馬孝尚教授、同博士後期課程 松浦慧介氏、日本原子力研究開発機構原子力科学研究部門J-PARCセンター物質・生命科学ディビジョン中性子利用セクション 梶本亮一研究主幹らの研究グループによるもので6月22日付けの米国科学誌「Physical Review Letters」に掲載された。

固体物質の中では、一般に、原子の振動や電流によって熱やエネルギーが伝わるが、磁性を示す物質では、それらに加えて、電子スピンの向きがふらついて物質の中を波のように伝わることでも熱やエネルギーを運ぶことがある。また、磁石としての性質を示す物質では、この電子スピンのふらつきを大きくすることで、磁石の強さやN極とS極の向きを変化させることもできる。

今回、同研究グループは、MnV₂O₄について、直径5mm、長さ5cm程度の棒状の結晶を複数作製した。同物質についてはこれまでに、およそ-220℃以下で多数の電子スピンが同じ向きを向いて磁石としての性質を持つことや、温度変化に伴って電子の軌道が変わることが報告されていたため、電子スピンと電子軌道が強く結びついている可能性があると考えられていた。

そこで、同研究グループは、大強度陽子加速器施設「J-PARC」において、作製した結晶を冷却したうえで速さの決まった中性子を照射して、四方に散乱された中性子の方向と速さを測定。この実験データを解析したところ、電子スピンの向きがそろった－267℃において、電子スピンがふらつく運動を多数見出した。

さらに、これらの運動を再現するように、コンピュータを用いてこの物質中の電子スピンだけを考えた計算を行った結果、実験データから得られたほとんどの運動は再現できたが、5THzの電子スピンがふらつく運動が再現できないことがわかった。この運動の周波数は、光を用いた実験などによって観測されていた、電子の軌道が変化する周波数と類似していたことから、電子スピンのふらつきと電子軌道の変化が同時に起きていることを強く示唆する結果であると言える。つまり、光や力を与える周波数を調整することにより、電子軌道を5THzで大きく変化させれば、それと結びつく形で5THzという超高速な磁気制御が可能となることを原理的に示したことになる。

同研究グループは、今回の成果を発展させることで、蓄熱、断熱、放熱、熱電など熱の伝わり方に関係するデバイス材料に関する技術革新につながることが期待されると説明している。今後は、どのような物質で電子スピンと電子軌道が強く結びつくのかを系統的に調べていく予定だという。