量子物理学の重要な理論モデルである「近藤ネックレス」が、実験的に初めて現実の物質系で再現されました。このモデルは、近藤効果に基づく「近藤格子」を簡略化し、スピンの自由度に焦点を当てたものです。従来は理論的な議論に留まっていたこのモデルを、有機物と無機物の利点を融合させた独自のハイブリッド材料で実現しました。

大阪公立大学大学院理学研究科の山口 博則准教授、冨永 悠大学院生（博士前期課程2年）、工学研究科の木村 健太准教授、大阪大学大学院理学研究科の木田 孝則助教、川上 貴資助教、萩原 政幸教授、防衛大学校の荒木 幸治講師、および日本大学の岩﨑 義己助手らの研究グループは、有機ラジカルとコバルトを組み合わせた有機無機ハイブリッド磁性材料を用い、ネックレス状のスピン構造を設計。量子力学的な特性を示す近藤ネックレスモデルを実験的に実現しました。さらに、磁場を用いてネックレスの結合を制御できる現象を発見。このスイッチング機能は、量子コンピューティングやスピントロニクス分野での応用の可能性が考えられます。本研究結果は、量子物性の研究に新たな視点を提供し、次世代量子技術の基盤となる重要な一歩です。

本研究成果は、2025年1月31日（日本時間）に国際学術誌「Physical Review Research」にオンライン掲載されました。

現代物性物理学の主軸の一つである近藤格子系では、金属中の伝導電子と局在スピンの相関がベースとなり、重い電子挙動や量子臨界現象、非従来型超伝導といった特異な量子物性が生み出されます。1977年にセバスチャン・ドニアック博士によって提唱された近藤ネックレスモデルは、電子が持つスピンの自由度に絞って簡略化したものです。新たな量子相の発現やバンド構造制御の可能性を探る重要な量子モデルとして高い関心が寄せられてきました。しかし、その実験的実現は長年の課題として残されていました。

本研究グループは、これまでに有機物の多様性と金属元素の豊富な磁気的自由度を融合させた大規模材料プラットフォーム（V-QOM）の開拓を進めてきました。その数十万パターンに及ぶ設計性を駆使し、本研究において有機ラジカル（フェルダジルラジカル）とコバルト（Co）を組み合わせた新たな金属錯体の合成に成功しました。図1に示すように、有機ラジカルをCo元素に配位させ、さらに五つの水分子で取り囲むことで6配位の八面体構造を創り出し安定化させています。これが結晶中で積層構造を形成し、対応するスピンとその結合を取り出すと、有機ラジカルによる「鎖」とCoによる「飾り」とで近藤ネックレスが形成されます。磁化、比熱、電子スピン共鳴の測定結果に対して、数値解析を行った結果、理論的に予想されていた量子もつれ状態が発現していることを明らかにしました。さらに、Co元素特有の磁気異方性に起因して、磁場中で飾り部分の結合が分離し、自由なスピンが出現する特異な量子臨界現象を観測しました（図2）。

図1. 本研究で合成した新規金属錯体[Co(p-Py-V)(H₂O)₅]・2NO₃の結晶構造とスピン自由度が創り出す近藤ネックレス。

図2. 近藤ネックレスにおける量子もつれ状態と磁場による量子臨界現象の概略図

本研究は、有機物の設計自由度と無機物の多様な機能特性を融合させた独自のハイブリッド材料が、従来では実現困難だった新しい量子物質の設計を可能にすることを示しました。基礎学術的には、重い電子挙動や量子臨界現象、非従来型超伝導など特異な量子物性における磁場応答の新たな知見を提供します。特に、磁場によるスイッチング機能は量子多体効果の制御を可能にし、量子コンピューティングやスピントロニクスなどの次世代技術の革新に寄与する重要なステップとなることが期待されます。