磁気秩序を持たない1次元量子スピン液体相におけるスピン流を初観測―東北大、茨城大理学部・佐藤正寛准教授ら

 東北大学金属材料研究所の廣部 大地 氏(大学院生)、塩見 雄毅 助教、内田 健一 准教授、井口 亮 助教、齊藤 英治 教授、茨城大学理学部の佐藤 正寛 准教授、日本原子力研究開発機構先端基礎研究センターの前川 禎通 センター長、東北大学応用物理学科の川股 隆行 助教、小池 洋二 教授の研究グループは、擬1次元量子反強磁性体Sr2CuO3におけるスピンゼーベック効果の実験を実装し、磁気秩序を持たない1次元量子スピン液体相におけるスピン流の観測にはじめて成功しました。このスピン流は量子スピン液体相に特有のスピノンとよばれる分数励起より伝搬する新しいスピン流と考えられます。さらに、このスピノンスピン流輸送を説明する微視的理論の構築にも成功しています。
 今回の研究成果は、近年目覚ましい発展を遂げているスピントロニクス分野と、電子スピン間の相互作用が誘導する多様な磁気秩序相に焦点を当てる量子磁性分野とをつなぐ先駆的な研究だといえます。
 本研究はJST-ERATO齋藤スピン量子整流プロジェクトの中で得られた成果であり、雑誌「Nature Physics」のオンライン版に、2016年9月26日に掲載されました。

詳しくは資料(PDFファイル)をご覧ください。
【資料】磁気秩序を持たない1次元量子スピン液体相におけるスピン流の初観測

図1:スピンゼーベック効果の実験のイメージ図
図2:量子スピン液体相が実現するSr2CuO3におけるスピンゼーベック効果の実験結果

 近年、電子の電荷の流れ(電流)に基づくエレクトロニクス(電子工学)技術に加えて、電子の持つスピン自由度を活用して新しい情報処理方法の構築を目指す「スピントロニクス」と呼ばれる学問分野が急速に発展しています。電流が電子のもつ負電荷の流れであるのに対し、電子の持つスピン角運動量の流れである「スピン流」は、スピントロニクス研究の中心的な概念のひとつです。
 最近、電流を流さない磁性絶縁体においてスピン流が流れ得ることが、スピンゼーベック効果の実験により明らかにされました(図1)。スピン流を運ぶターゲットとして、例えば強磁性絶縁体を用意し、それをスピン軌道相互作用の強い金属と接合します。この接合系に温度勾配を印加すると、強磁性体中で上向きに揃っている電子スピンたちが音波のように波打ち、その波が高温側から低温側に伝搬します。磁気的粒子という意味を込めてマグノンと呼ばれるこの波がスピンを運ぶことにより、スピン流が流れます。マグノンにより運ばれたスピン流は金属に浸透し、金属内で生じる逆スピンホール効果を介してスピン流が電流に変換され、電圧測定からスピン流を間接的に測定することが出来ます。
 磁性絶縁体におけるスピントロニクス研究では、これまで強磁性絶縁体とその磁気的準粒子であるマグノンを活用したスピントロニクス機能に焦点が当てられてきました。しかしながら、磁性研究の長い歴史の中で、強磁性体の他に多様な磁気秩序や準粒子の存在が明らかにされています。本研究では、強磁性体とは対照的に電子スピンがゆらゆら揺らいでいる量子スピン液体状態が実現する擬1次元S=1/2量子反強磁性体Sr2CuO3に注目しました。この系では、マグノンではなくスピノンと呼ばれる準粒子(マグノンを半分に分割したような粒子)のペアがスピン流を運ぶことが期待されます。スピンが整列した強磁性秩序は、原子スケールのナノデバイスでは熱・量子揺らぎの効果で崩壊しますが、量子スピン液体状態はナノサイズにおいても持続することが理論的に予想されます。この意味で、スピン液体におけるスピントロニクス機能の研究は、理学・工学の両面で重要といえます。
 研究グループでは、Sr2CuO3を用いたスピンゼーベック効果の実験を実現し、スピノンスピン流が誘起する電圧信号を観測することに成功しました。このスピン液体状態のスピン流は、強磁性体のマグノンスピン流と対照的な性質を持ち(図2)、それらを統一的に説明する微視的理論の構築にも成功しています。本研究は、スピンに関わる輸送現象に焦点を当てるスピントロニクス分野と、電子スピン間の相互作用が誘導する(スピン液体を含む)多様な磁気秩序相に焦点を当てる量子磁性分野という二つの分野に架け橋を与える先駆的な研究といえます。

発表論文の情報

<論文タイトル>
One-dimensional Spinon Spin Currents

<著者名>
Daichi Hirobe, Masahiro Sato, Takayuki Kawamata, Yuki Shiomi, Ken-ichi Uchida, Ryo Iguchi, Yoji Koike, Sadamichi Maekawa, and Eiji Saitoh

<雑誌名>
Nature Physics

<掲載日>
2016年9月26日オンライン掲載

(2016年9月28日)