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国立大学法人 電気通信大学

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お知らせ

【ニュースリリース】一瞬しか発生しない世界最強1000テスラ級超強磁場中で結晶の「のびちぢみ」の計測に成功〜酸化物で新たな「超」状態変化の兆候を発見〜

2023年04月04日

• 瞬間的にしか発生しない世界最強1000テスラ磁場発生装置に独自開発の100メガヘルツ超高速ひずみ計測を導入し、結晶の「のびちぢみ」を計測することに成功した
• コバルト酸化物中で磁気励起子の超流動状態の兆候を発見した
• スピン超流動を用いたスピントロニクス技術の進展や量子コンピュータなどへの応用が期待される

概要

池田暁彦助教(基盤理工学専攻)と松田康弘教授(東京大学物性研究所)ら、佐藤桂輔准教授(茨城工業高等専門学校)、および那須譲治准教授(東北大学大学院理学研究科)らによる研究グループは、室内発生世界最強の1000テスラ級電磁濃縮超強磁場発生装置(図1)を使い、600テスラの超強磁場下で結晶の「のびちぢみ」の瞬間的な計測に成功し、遷移金属酸化物であるコバルト酸化物(LaCoO3)中の新しい磁気(スピン)超流動状態の兆候を見いだしました。本成果はスピン超流動を用いたデバイス開発につながり、スピントロニクス技術や量子コンピュータへの応用が期待されます。
遷移金属酸化物は電子の自由度である電荷やスピンなどが強く相関し合うことで、多彩な秩序化が起こることから大変注目されています。特に、LaCoO3中には「磁気励起子」というユニークな自由度がありますが、この磁気励起子の粒子的かつ波動的なふるまいには謎が多く、固体物理における最大の難問の一つとされ、60年以上におよび研究が続けられています。さらに、LaCoO3は1000テスラ級の非常に強い磁場中において、磁気励起子の結晶化やボーズ・アインシュタイン凝縮などの新たな現象が起こると予想されていました。しかしながら、このような強磁場は世界最強の磁場発生装置を利用しても10マイクロ秒程度(1マイクロ秒は100万分の1秒)の一瞬しか発生できません。さらにこの極限環境において、一瞬かつ一発で物性を計測できる技術を必要とするために、これまで研究されてきませんでした。
今回、池田助教らの研究グループは、1000テスラ級電磁濃縮超磁場発生装置に独自開発の超高速ひずみ計測技術を導入することで、瞬間的に発生した超強磁場中でLaCoO3結晶の「のびちぢみ」を一瞬かつ一発で計測することに成功しました。これにより、LaCoO3における磁気励起子の超流動状態の兆候を600テスラの超強磁場下で初めて確認することができました。本成果はLaCoO3の基本的な性質を明らかにするもので、スピントロニクス技術におけるスピン流生成や量子コンピュータなどへの応用が見込まれます。また、超高速ひずみ計測法は超伝導体から金属まであらゆる固体に適用できます。超強磁場の発生と計測技術を併用することで、今後も1000テスラ級の超強磁場において新たな電子状態や相転移などが発見できると期待されます。
本成果はオープンアクセスの国際学術誌Nature Communicationsに4月4日(火)に掲載されました。

手法・成果

池田助教らの研究グループは、2018年に開発した新型の電磁濃縮法超強磁場発生装置を用いて世界最強磁場を発生させました。さらにファイバーブラッググレーティングを使って独自開発した100メガヘルツの超高速ひずみ計測法を導入しました(図2)。これにより最強磁場が発生した一瞬のうちに、600テスラまでのLaCoO3の格子ひずみを超高速に一発で観測しました。これにより、超強磁場中で結晶が「のびちぢみ」する過程が明らかになり、特徴的な新たな電子磁気状態が存在することを確認しました(図3)。
磁気励起子を有するコバルト酸化物の状態変化は「のびちぢみ」を見れば観測することができます。超強磁場中で磁気励起子が固体を組んだ場合は、外部磁場の変化に対して結晶の「のびちぢみ」は起こらない一方で、超強磁場中で磁気励起子が超流動状態や超固体状態などの「超」状態になった場合は、量子力学的効果が強くなるために外部磁場の変化に応じて結晶が連続的に「のびちぢみ」することが従来予想されていました。
これらの成果は固体物理最大の難問の解決に向けた重要な糸口になります。さらに、LaCoO3の基本的な性質を明らかにするもので、コバルト酸化物を用いた微小なスイッチなどのデバイス開発に大きく役立つ知見になると考えられます。

図1

図1:1000テスラ発生に用いる新型電磁濃縮法装置の概念図。まず5メガジュールのコンデンサ電源に電気エネルギーを蓄積します。つぎに電磁濃縮コイルに放電します。電磁濃縮コイルは受け取ったエネルギーを利用して、金属ライナー(筒)を高速収縮します。金属ライナー中の初期磁束(3テスラ程度)は急速に高密度化し1000テスラ級の超強磁場が発生します。超強磁場発生直後にコイルは大爆発します。この爆発は金属ライナーを収縮するさせる際の反作用と、発生した超強磁場自体の反発力によるものです。

図2

図2:爆発を伴う超強磁場発生中に一瞬のうちに一発で「のびちぢみ」を計測するために利用した超高速ひずみ計測装置の概略図。計測対象の結晶側面に光ファイバーを接着します。光ファイバーはファイバーブラッググレーティングという「ひずみゲージ」の機能を持つものを使用しています。「のびちぢみ」はファイバーを通して離れた場所で検出します。特別に開発した100メガヘルツ超高速計測法を利用して、一瞬のうちに一発でひずみを計測します。

図3

図3:コバルト酸化物に超強磁場を印加することで磁気の「超」状態とそれらの間の状態変化が生じる様子の概念図。LaCoO3には「真空(低スピン)」と「磁気励起子(高スピン)」の状態があります。磁場をかける前はすべてのコバルトイオンが真空状態です。600テスラまでの超磁場をかけると変化が起こり、磁気超流動状態や磁気超固体状態が発現します。磁気励起子は結晶格子を押し広げる性質があるので、今回の「のびちぢみ」計測によりこれらの変化の兆候を観測しました。最終的にはすべてのコバルト酸化物が完全に磁化した状態になると期待されますが、今回はその観測には至っていません。

今後の期待

本研究で新たに見つかった超強磁場で起こる磁気励起子の秩序状態には、未解明な点がまだ多くあります。今後は超強磁場における微視的な研究を行い、その詳細を明らかにする予定です。ファイバーブラッググレーティングを利用した超高速ひずみ計測法は、超伝導体から金属まであらゆる固体物質に適用できるため、超強磁場の発生と計測技術を併用することによって、1000テスラ級の超強磁場においてさらに新たな電子状態や相転移などが発見できると期待されます。

(論文情報)
雑誌名:「Nature Communications」
論文タイトル:Signature of spin-triplet exciton condensations in LaCoO3 at ultrahigh magnetic fields up to 600 T
著者:Akihiko Ikeda, Yasuhiro H. Matsuda, Keisuke Sato, Yuto Ishii, Hironobu Sawabe, Daisuke Nakamura, Shojiro Takeyama, and Joji Nasu
DOI番号新しいウィンドウが開きます https://doi.org/10.1038/s41467-023-37125-4

(外部資金情報)
本研究は文部科学省の卓越研究員制度事業(JPMXS0320210021)、東電記念財団の研究助成 (基礎:18-001) 、科研費若手研究(18K13493)の支援を受けて行いました。

詳細はPDFでご確認ください。