乱れた磁性体に隠れた「純粋な顔」を発見ー特別な条件下で複雑系が複雑でなくなることを証明ー

2026-06-15 東京科学大学

東京科学大学(Science Tokyo)の西森秀稔特任教授は、相互作用にランダム性を持つ磁性体「スピングラス」について、ランダムさ同士に相関が存在する場合でも厳密に解析できる新たな理論的枠組みを構築した。従来のスピングラス研究ではランダムさは互いに独立と仮定されていたが、現実の物質や量子デバイスでは相関を持つノイズが一般的であり、その解析は極めて困難だった。本研究では、相関を持つランダムさを含む新しいイジング・スピングラス模型を提案し、「西森ライン」と呼ばれる特別な条件下では、磁化や相関関数、エネルギーなど多くの物理量がランダムさのない通常の磁石(強磁性イジング模型)と厳密に一致することを証明した。これは複雑系であるスピングラスが、特定条件では複雑さを失い“純粋な磁石”として振る舞うことを意味する。さらに、相転移を特徴づける臨界指数も通常の磁石と一致することが示され、新しいタイプの臨界現象の存在が示唆された。本成果は、機械学習における相関データ解析や量子コンピュータの誤り訂正における相関ノイズの理解にも応用が期待される。

乱れた磁性体に隠れた「純粋な顔」を発見ー特別な条件下で複雑系が複雑でなくなることを証明ー
図1. スピンがランダムに凍結したスピングラス

<関連情報>

相関のある無秩序を持つスピングラスの純粋なイジングモデルへの正確なマッピング Exact mapping of a spin glass with correlated disorder to the pure Ising model

Hidetoshi Nishimori
Physical Review E  Published: 15 May, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/99ls-2zdk

Abstract

We introduce an Ising spin-glass model with correlated disorder which continuously interpolates between the pure ferromagnetic Ising model and the Edwards-Anderson model with symmetric disorder. For this model, we prove that a Nishimori line (NL) can be defined, analogously to the Edwards-Anderson model, on which physical quantities can be expressed exactly in terms of those of the pure Ising model at a well-defined effective temperature on any lattice in any dimension. For example, the energy on the NL is equal to the energy of the pure Ising model at the effective temperature up to a constant and a trivial factor. More remarkably, the specific heat on the NL equals the energy, not the specific heat, of the pure Ising model at the effective temperature, again up to a constant and a trivial factor. Gauge-noninvariant quantities such as the magnetization and correlation functions are exactly equal to the corresponding quantities of the pure Ising model at the effective temperature. These exact relations imply that the leading critical behavior at that multicritical point for the disorder-correlated model is pure-Ising-like, in contrast to the conventional multicritical universality class of the standard Edwards-Anderson model. Our results motivate further investigations of the relatively unexplored topic of correlations in disorder in spin glasses and related problems.

1701物理及び化学
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