電子スピンから分化したN極とS極のヒッグス転移を磁性体で観測

磁性体では、電子が回転運動し小さな磁石（スピン）を作ります。通常、多数のスピンが極低温で互いに同じ向き（強磁性）になるか、反対方向を向く（反強磁性）かして、一定の磁気の秩序を示します。ところが、スピンアイスと呼ばれる磁性体では、極低温でも磁気秩序が生まれません。スピンの単極子であるN極とS極が電子スピンから分化したように振る舞い、やがて消滅してしまいます。つまり磁石にはなりません。さらに、量子スピンアイスという磁性体も発見されています。このとき、N極とS極は量子力学的な動きをするので、N極とS極が安定した単極子として存在することも可能になります。

基幹研究所の研究者らを中心とした国際研究グループは、量子スピンアイス物質である磁性体Yb₂Ti₂O₇の単結晶に、スピンの向きをそろえた中性子ビームを照射し、その散乱の様子から、結晶内の電子スピンの状態を詳細に解析しました。その結果、磁気秩序が生じていない絶対温度0.3度での実験値は、量子スピンアイス模型に基づいた理論計算とよく一致しました。また、絶対温度0.21度以下で磁気秩序を観測し、強磁性状態に相転移することを確認しました。そのスピン構造は、量子スピンアイス模型で期待されるN極とS極が安定に存在した状態と符合することが分かりました。つまり、Yb₂Ti₂O₇は、転移温度より低くなると、分化したN極とS極が自発的に対称性を破って、理論で予想されるヒッグス転移を起こした、という証拠の一端を得たことになります。

今回、研究グループは、磁性体の磁化の制御をデバイスに応用するスピントロニクス分野において、超伝導体に似た役割を果たす物質を発見しました。今後は、より高温でヒッグス転移を起こす磁性体の開発が期待されます。