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（研究当時）、埼玉医科大学の古谷 峻介講師、大阪大学大学院理学研究科の木田 孝則助教、萩原 政幸教授、防衛大学校の荒木 幸治講師らの研究グループは、有機ラジカルとニッケルを組み合わせた有機無機ハイブリッド磁性体を用いて、量子スピンがネックレス状に連なる新しいタイプの近藤ネックレスの実現に成功しました。

本研究では、量子物質において知られている、スピンの大きさが量子状態を決めるという原理が、物性物理の基本現象である近藤効果にも当てはまることを世界で初めて実証しました。通常、近藤効果は、スピンが最も小さい場合には磁性を弱めることが知られています。しかし本研究において、スピンが1/2より大きい場合に、近藤効果が磁性を生み出す力として働くことを、実験と量子解析の両面から明らかにしました。つまり、スピンが最小の場合と、それより大きい場合で近藤効果の役割が根本的に入れ替わるという、量子物質に新しい境界線を示したことになります。本成果は、スピンの大きさによって量子状態を切り替えるという新しい制御原理を提示し、将来的には量子情報デバイスの実現に向けた革新的な基盤技術となる可能性が期待されます。

本研究成果は、2026年1月20日に国際学術誌「Communications Materials」にオンライン掲載されました。

現代の固体物性研究では、電子に備わるスピンの相関が生み出す多様な量子状態を理解することが大きな課題となっています。近藤効果はその代表例で、伝導電子と局在スピンの量子相関により重い電子系や量子臨界現象が現れる複雑なメカニズムです。この複雑な現象を純粋なスピン自由度だけで捉えるために提案されたのが「近藤ネックレス」です。近藤格子系を本質的なスピン相関にまでそぎ落としたこのモデルは、量子相の起源を明らかにする理想的な理論枠組みですが、実験的な実現は困難でした。

一方、量子物質の世界では、スピンの大きさが変わるだけで基底状態が質的に変化するという特徴があり、ハルデン状態に象徴されるように、この性質は新しい量子相の発見につながってきました。
本研究は、スピンの大きさが量子状態を決めるという普遍的原理を、近藤効果という基本現象にまで拡張し、実験的に検証するという挑戦のもとに行いました。

本研究グループは、有機ラジカル分子の空間配置と相互作用を精密に制御する独自手法 RaX-D（Radical-based crystal eXpansion-Design）を用いて、量子物質の新しい構造設計に取り組んできました。RaX-D により構築された分子性磁性体は、無機物では実現が難しい多様な量子モデルを自在に組み上げられる点が大きな特徴です。その成果の一つとして、先行研究において、鎖状に並んだスピン1/2 に、“飾り” として別のスピン1/2 を結合させた近藤ネックレスの実現に成功し、近藤カップリングによってスピンが非磁性化されることを明らかにしました。

本研究では、さらに発展させ、飾り部分のスピンを1/2から1へと拡張した近藤ネックレスを新たに合成することに成功しました。分子内のニッケル元素がスピン1を担い、主鎖の有機ラジカルと近藤カップリングを形成する構造です。熱力学特性により、この系が低温で磁気秩序を示し、磁場で秩序が崩壊する量子相転移を起こすことが明らかになりました。また量子的解析により、飾り部分のスピンが1/2の場合とは全く異なり、本系を含むスピン1以上の場合では、近藤効果が磁性を抑えるのではなく、磁性を生成する方向に働くことを実証しました。これは、スピンの大きさによって近藤効果の役割が質的に変化する量子物質の新たな境界線を示す成果であり、近藤格子系の理解を広げる重要な一歩となります。

図1. 本研究で合成した有機無機ハイブリッド磁性体[Ni(p-Py-V-p-F)(H₂O)₅]・2NO₃の結晶構造とスピンの相関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非磁性状態（飾りスピン1/2）と磁気秩序状態（飾りスピン1）の概略図。

本研究で示した、スピンの大きさによって近藤効果の働き方が根本的に変わるという新しい量子原理は、近藤格子系をはじめとする広範な固体物性の理解を大きく広げる成果です。量子物質では、スピンの大きさが物質の量子状態を決めることが知られていますが、この原理が物性物理の基本現象である近藤効果にも当てはまることを世界で初めて示しました。

この成果により、スピンサイズを制御することで量子状態の安定性や結合の強弱を設計できることが明確となり、量子ビット設計など量子コンピューティングとの親和性が極めて高い点でも注目されます。今回得られた知見は、量子物質科学に新たな境界線を引くとともに、量子状態を思い通りに切り替えるという新しい材料設計指針を与えるものであり、次世代の量子材料探索や量子技術への応用に向けた大きな前進となります。