秩序からカオスへ——スピングラスが生まれる瞬間と条件を初めて実験で提示

2026-05-21 沖縄科学技術大学院大学

Okinawa Institute of Science and Technologyの研究チームは、スピングラスがどのような条件で生じるのかを実験的に初めて明確化した。研究では、反強磁性を示す高純度の亜鉛フェライト単結晶にガリウムを段階的に添加し、化学的不純物による秩序から無秩序への移行過程を7年間かけて追跡した。その結果、従来は短距離秩序を伴うと考えられていたスピングラスが、実際には相関のない孤立スピンから発現することを発見した。長距離秩序は不純物増加とともに急激に低下し、その後短距離秩序も減少する一方、スピングラス挙動はその途中段階で独立に現れた。これにより、スピングラスの実験的定義が初めて確立され、理論と実験の間に存在していたギャップを埋める成果となった。研究は、量子スピン液体などエキゾチック磁性相の理解を進める新たな基準を提供し、量子材料や量子コンピューティング研究への波及も期待される。

秩序からカオスへ——スピングラスが生まれる瞬間と条件を初めて実験で提示
ガリウム(Ga)による結晶ドーピングにより鉄(Fe)濃度が低下するにつれて、亜鉛フェライトにおける秩序とスピングラスがどのように並行して変化するかを示した図。磁化率(Tx)および熱容量(Tc)を用いて評価している。最も純度の高い状態では、結晶は反強磁性(長距離)秩序(水色の領域)を示すが、これが急激に低下し、短距離秩序が支配的となる。興味深いことに、短距離秩序が最初に低下する段階でスピングラス挙動(灰色の領域)が現れる。これは、短距離秩序も長距離秩序もスピングラスの発現条件ではないことを示唆している。© ドロノバほか(2026年)

<関連情報>

スピングラスと短距離秩序の間の時間的および空間的分離 Temporal and spatial separations between spin glass and short-range order

Margarita G. Dronova ∙ Feng Ye ∙ Zachary J. Morgan ∙ Yishu Wang ∙ Yejun Feng
Matter  Published:May 21, 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.102829

Progress and potential

Among all material-related topics, spin glass might best exemplify the dictum that researchers approach an experimental subject like blind men to an elephant. After over 50 years of interest, the material’s picture of spin glass remains opaque, despite most physical probes having been utilized. Taking a page from the paradigm of quantum criticality, here we explore how the spin glass emerges from an ordered parent state. From a well-characterized antiferromagnet in the clean limit, a great amount of experimental endeavor was taken to introduce chemical disorder only to the magnetic sublattice. This emergent spin glass allows us to differentiate it from both long- and short-range order and further reveal a competition between the latter two. Our emphasis on the materials science’s perspective of disorder expands a dimension of the parameter space in practice, leading to new approaches toward other outstanding exotic phases of quantum magnetism.

Highlights

  • An evolution from long- to short-range order driven by a minimal amount of disorder
  • Critical fluctuations vs. static spin correlation revealed by diffuse scattering
  • Spin glass is composed of single, uncorrelated spins
  • The short-range order has many instabilities, while the long-range order has one

Summary

Broken-symmetry-induced order parameters account for many phenomena in physics. For spin glasses, this framework dictates the theoretical construction, whereas experiments have only established dynamical behaviors but not the physical entity. Experimental techniques have limitations when the spin glass is probed as an isolated state. Here, we create an evolution from a long-range order using well-controlled non-magnetic substitution on a sublattice. Neutron magnetic diffuse scattering of pico-second timescale reveals that the dynamics of short- and long-range order formation are not affected by disorder, but their spatial ranges are. Across all specimens, the inflection point of spin correlation length’s temperature dependence fully matches with the peak in heat capacity, while spin glass can freeze at millisecond timescale either above or below this characteristic temperature of spin-order formation. Our results identify the spin glass as single, uncorrelated spins at domain walls between spin clusters, and an uncorrelated coexistence of the two.

1701物理及び化学
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