東大など、大規模シミュレーションにより新しい相転移現象を発見

　

　東京大学は11月11日、これまで相転移が起きないと考えられてきたスピン液体と常磁性状態との間で、相転移が起きることを新しい数値計算手法を用いた大規模シミュレーションで明らかにしたと発表した。

　同成果は、東京工業大学大学院 理工学研究科 物性物理学専攻の那須譲治助教(当時:東京大学大学院 工学系研究科 物理工学専攻)、東京大学大学院 工学系研究科 物理工学専攻の宇田川将文助教、求幸年准教授らによるもの。詳細は、「Physical Review Letters」のオンライン版に掲載された。

　物質は、温度や圧力に応じて固体・液体・気体の3つの状態に変化する。このうち、液体と気体の間には相転移が起きる必要はなく、連続的に移り変わることが可能である。また、磁性体中の電子が持つ微小な磁石であるスピンの向きに関しても、このような3状態を考えることができる。例えば、固体はスピンの向きがそろった強磁性状態に対応し、気体はそれらがランダムな常磁性状態に対応する。一方、液体については、極低温まで固体にならず液体のままであるヘリウムから類推した”量子スピン液体”という概念が提案されているが、その存在や性質は長年の謎とされてきた。

　研究グループは、キタエフ模型と呼ばれる理論モデルに対する大規模数値シミュレーションにより、量子スピン液体と常磁性状態の間には常に相転移が存在し、両者は連続的に移り変わることができないことを見出した。これは、従来の相転移理論で説明できない新しい気体—液体転移で、トポロジカルな性質の変化と見なせることを明らかにしたものであるという。

　なお、今回の発見が、相転移の不在をもって量子スピン液体を示唆している最近の実験研究の全面的な見直しを促すものであり、トポロジカルな性質を情報処理に利用する量子情報の分野にも大きなインパクトを与えることが期待されるとコメントしている。

　電子スピンが示す気体—液体転移の概念図。格子構造は今回の研究で調べた3次元キタエフ模型のもつハイパーハニカム格子と呼ばれるもので、各格子点に置かれた矢印は電子スピンを模式的に表している。図の下半分は全ての電子スピンが量子的にもつれた量子スピン液体、上半分は電子スピンが独立に振る舞う常磁性状態を表している