物質の相を分けているものは何か ―高圧氷の長年の問いから、任意のスピンの磁性体の統一的な分類へ―

2026-10-15 東京大学

東京大学と香港科技大学の研究チームは、磁性体「スピンアイス」において、スピンの大きさが任意の値をとる場合の相転移を統一的に分類する理論を構築した。物質の相は通常、対称性の違いによって区別されるが、高圧氷の氷VIIと氷Xのように、対称性が同じでも異なる状態が存在する場合、その区別が有限温度でも維持される条件は明らかでなかった。研究チームは、パイロクロア格子上の磁性体を理論的に解析し、相の違いを支えるのが結晶を貫くループ状の励起であることを示した。絶対零度ではループが閉じているため状態を区別できるが、有限温度では熱励起された磁気モノポールがループを切断し、相の区別が失われて滑らかな変化(クロスオーバー)へ移行する。スピン1の場合、この仕組みは高圧氷の水素配置にも対応する。一方、スピン3/2では有限温度でも不連続な相転移が残ると予測された。本成果は、対称性だけでは捉えられない物質の相を理解する理論的枠組みを与え、量子磁性体や新奇物質の相分類に役立つ。

物質の相を分けているものは何か ―高圧氷の長年の問いから、任意のスピンの磁性体の統一的な分類へ―
絶対零度では閉じているループが、有限温度では磁気モノポールによって切断される

<関連情報>

任意の位相におけるトポロジカル相転移とその熱力学的運命古典的なパイロクロアスピンアイス Topological Phase Transitions and Their Thermodynamic Fate in Arbitrary- Classical Pyrochlore Spin Ice

Sena Watanabe, Yukitoshi Motome, and Haruki Watanabe
Physical Review X  Published: 14 October, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/bkkq-q1v9

Abstract

We develop a self-contained theoretical framework that classifies the topological phases and critical phenomena of classical pyrochlore magnets with arbitrary spin S, subject to competing exchange and single-ion anisotropies. We work first in the monopole-free (ice-rule) limit. In the small-ω regime, where the single-ion term favors low spin amplitudes, dualities reveal a dichotomy: Integer spins exhibit a continuous 3D XY ⁢ deconfinement transition, whereas half-integer spins remain in a U(1) Coulomb liquid without any transition. In the large-ω regime, where the local spin amplitudes are maximized (|Sz|=S), the macroscopic flux is quantized to multiples of 2S⁢. By mapping the defect structure to topological loop gases, we prove that the compatibility between the physical ice rule and the modular ℤ2⁢ flux conservation holds at the vertex level if and only if S≤3/2. For =3/2, this maps the system to the three-state Potts model, whose symmetry-allowed cubic invariant drives a first-order transition. For S≥2, no mapping to a discrete clock model exists. Using a decomposition of the partition function, we show that the only processes sensitive to the discrete ℤ2⁢ structure carry exponentially small statistical weight and correspond to irrelevant operators at the 3D XY⁢ fixed point, so the deconfinement transition is of the 3D ⁢XY type. Finally, incorporating thermal monopoles, we show that they act as a symmetry-breaking effective magnetic field that severs defect strings. Consequently, the continuous transitions are rounded into crossovers, whereas the first-order S=3/2 transition is predicted to survive at finite temperatures, terminating at a critical end point. Classical Monte Carlo simulations for S up to 7/2 corroborate the predicted crossover behavior at the accessible temperatures; these temperatures lie above the estimated critical end point, so the predicted survival of the =3/2 first-order transition remains to be tested directly.

1701物理及び化学
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