\冷やしても電子のスピンは凍りつかない?/ 氷のような乱れによって電子のスピンが低い温度でも揺らいでいる状態を発見~電子スピンがもつれながら揺らぐ機構の解明に期待~

2026-01-19 大阪大学

大阪大学大学院理学研究科の花咲徳亮教授らは、原子配列が氷のように乱れた物質中で、極低温でも電子の量子スピンが凍結せず揺らぎ続ける状態を世界で初めて発見した。対象はマグネシウムとチタンを含むスピネル型酸化物で、チタン原子の位置に「氷的な乱れ(フラストレーション)」が存在する条件下で、電子スピンがランダム・シングレット状態を形成することが示された。従来、低温でスピンが揺らぎ続けるには、原子配列の規則性が必要と考えられていたが、本研究は原子の乱れそのものがスピン揺らぎを安定化させる重要因子であることを示した。本成果は、量子スピンのもつれ状態の理解を深めるとともに、物質が低温で凍りつくか否かという根本問題の解明に新たな視点を与える。

\冷やしても電子のスピンは凍りつかない?/ 氷のような乱れによって電子のスピンが低い温度でも揺らいでいる状態を発見~電子スピンがもつれながら揺らぐ機構の解明に期待~
(a) 三角形の格子における電子スピンのフラストレーションの例。図中の矢印はスピンを表している。(b)スピンが揺らいでいる概念図。 孤立スピン(赤矢印)がさまよい、電子の対(赤い楕円)も揺らいでいる様子。格子を少し歪ませて書いています。

<関連情報>

スピネルチタン酸塩における氷型構造揺らぎを伴うフラストレートランダムシングレット状態 Frustrated random-singlet state with ice-type structural fluctuation in spinel titanates

Noriaki Hanasaki , Takayuki Hattori, Takumi Komoda, +16 , and Hideaki Sakai
Proceedings of the National Academy of Sciences  Published:December 30, 2025
DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2517926123

Significance

To date, the spin liquid state has been investigated in the quantum spin systems in the frustrated lattice. It is theoretically suggested that not only the quantum nature of the spin but also the disorder contributes to the spin fluctuating and resonating in the frustrated lattice. The spinel titanates have the disorder of the ice-type displacement. On the verge of the disappearance of the ice-type atomic displacement, we show that the nonmagnetic spin singlet pairs and the orphan spins coexist, and these spins are fluctuating on a nanosecond time scale. These observations establish the emergence of a frustrated random-singlet state, which was theoretically predicted.

Abstract

In ice, it is well known that the orientation of H2O molecules is disordered by geometrical frustration. Ice-analogous materials having a pyrochlore lattice display interesting phenomena such as the spin-ice state and the magnetic monopole. In the spinel titanate MgTi2O4, the Ti ions have a quantum spin in the pyrochlore lattice. The Ti ions are displaced, accompanied by the spin-singlet formation. Since this displacement pattern follows the ice rule, the title compound is a material analogous to ice. When a small quantity of Ti ions are replaced with Mg ions, the ice-type structural fluctuation exists. In this structural ice-type state, the spins are also fluctuating at a nanosecond scale down to 0.3 K. We ascribed this phenomenon to the gapless frustrated random-singlet state, in which the spin-singlet pairs are resonating, and the orphan spins are hopping.

1701物理及び化学
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