蜂の巣構造などある種の幾何学的な構造は、単純な秩序構造と辻褄が合わず、フラストレーションを持ったまま非常に低温まで秩序を形成しないことが知られています。そのような物質の中では、通常生じない新しい状態が生まれることが理論的に予想されています。今回の観測は、このような新しい状態の一つを実験的に確認したことに相当します。このような新しい量子状態は、新しい物性や機能を秘めている可能性があり、今後はその解明が期待されます。

本研究成果は、Nature Communicationsの2013年6月17日号（英国時間）に掲載される予定です。

・新しい量子状態を示唆する、スピンと軌道が混ざったスピン軌道共鳴状態を観測
・低温では、電子の軌道とスピンが強く関連しながら揺らいだ状態が実現していることを観測

単純な秩序構造をもたない結晶では、幾何学的フラストレーション と呼ばれる電子スピンが不安定な配列になり、特異な物性が現れるため多くの研究が行われています。通常は温度を下げると、フラストレーションを解消するように構造が歪むことで何らかの秩序状態に到達しますが、まれに非常に低温までフラストレートした状態が継続することがあります。量子力学的な揺らぎによって秩序形成が妨げられた場合、電子が抵抗なしに動き続ける超伝導や、粘性のない液体である超流動のような、非常に変わった現象がおこります。このように“何かが動き続ける”状態が発見されれば、これまでにない新しい物性が出現すると考えられます。今回測定したBa ₃ CuSb ₂ O ₉ は極めて低温まで秩序化が生じないフラストレーションを持った磁性体である上に、銅の電子軌道の配置にも自由度があります 。このような状況では、電子スピンが担う磁性と、軌道自由度とが混ざった新しい量子状態の可能性が理論的に指摘されていました。

Ba ₃ CuSb ₂ O ₉ の磁気的な性質については既に調べられていましたが、軌道自由度の精密な測定はこれまでなされていませんでした。八面体配位した銅の場合、 （図2） に示すように、x、y方向に広がった軌道が占有されない場合、z方向に八面体が伸びるように歪みます。これを利用して、構造の歪みをX線散乱法 によって観測することでBa ₃ CuSb ₂ O ₉ の電子軌道の配置を調べました。

測定の結果、以下のことが解りました。
(1) 室温（300 K）では （図3(a)） のような弱い電子軌道の秩序が生じている。
(2) 低温（4 K）では （図3(b)） の秩序が発達するとともに （図2） の秩序が混在する。
(3) これらの秩序は最大でも数ナノメートルの範囲でしか生じない。
(4) 磁性が大きく変化する50Kまでは温度低下とともに電子軌道が秩序化していくが、それ以下の温度では軌道秩序は変化しない。

軌道自由度は非常に強く周囲と相互作用しているため、通常は磁性よりずっと高温で秩序化します。しかし今回の場合、磁性が軌道自由度の振る舞いを支配しているように見える点が通常と大きく異なる点です。

一方、理論研究では、スピンと軌道が混ざった量子状態を形成し、スピン軌道共鳴状態というベンゼンのような特殊な電子の状態が生じ、 （図3） のような軌道秩序が予言されています。今回の測定は電子軌道の配列と、その温度依存性の二つの側面でこの理論を裏付ける結果を得ました。

本研究では、理論的に指摘されていた新しい量子状態を支持する観測結果を得ました。今後は、極低温下での時間的変動などを調べることで確定的な結論を得ることを目指します。このような新しい量子状態は、新しい物性を秘めている可能性があり、その解明が期待されます。

本研究成果はNature Communicationsの2013年6月17日号（英国時間）に掲載される予定です。

Dynamical spin-orbital correlation in the frustrated magnet Ba ₃ CuSb ₂ O ₉
（日本語名：フラストレーション磁性体Ba ₃ CuSb ₂ O ₉ に見られる動的スピン軌道相関）

図1　Ba ₃ CuSb ₂ O ₉ の結晶構造

図2　八面体配位した銅イオンの軌道と歪みの関係
x、y方向に伸びた電子軌道（緑のシンボルで表示）が空席となる場合、z方向に伸びるように構造が歪む。

図3　ハニカム構造で期待される電子軌道の秩序状態
弱い電子軌道の秩序(a)によるハニカム構造の中に、(b)の秩序が混在し、かつ(b)は2つの状態が混在している。