カゴメ文様に秘められた磁場中分数量子状態～フラストレーションと量子揺らぎで安定化するカゴメ磁性体の1/3磁化プラトーを発見～

吉田 紘行

物理学部門

2025年1月15日

カゴメネットワーク（構造中の黒い実線）を有する新規物質InCu₃(OH)₆Cl₃と観測された1/3磁化プラトー

【ポイント】

• 磁性元素を日本の伝統的幾何学文様であるカゴメ編みに織り込んだ新規量子磁性体の開発に成功。
• 強磁場中の精密磁化測定により、磁場に反応しない磁場中分数量子状態（磁化プラトー状態）を発見。
• 新物質開発・強磁場精密計測・理論解析の協調による新規量子状態探索研究の進展に期待。

【概要】

北海道大学大学院理学研究院の吉田紘行教授、北海道大学大学院理学院博士後期課程2年の加藤萌結氏、大阪大学大学院理学研究科の萩原政幸教授、中澤康浩教授、鳴海康雄准教授、東京理科大学の森田克洋助教らの研究グループは、カゴメ構造を有する新物質InCu₃(OH)₆Cl₃を合成し、飽和の1/3に磁化の値が量子化する1/3磁化プラトー状態（磁場に反応しない磁場中量子状態）の発見に成功しました。

フラストレーションと量子揺らぎが顕著に働くカゴメ反強磁性体では、強い磁場中で磁化プラトー状態が実現すると理論予想が重ねられてきました。しかし、モデル物質の欠乏、超強磁場中での精密計測の必要性、磁化過程が有限温度で鈍ること（有限温度効果）が三重苦となり、世界的に極めて盛んに物質探索や理論研究が展開されてきたにもかかわらず、量子カゴメ反強磁性体で明瞭な1/3磁化プラトーを観測することは困難でした。

本研究では、相互作用の弱い新規量子カゴメ反強磁性体の物質開発、強磁場下での精密磁化計測、有限温度効果を取り込んだ理論解析の有機的な協働によって、これら三重苦を克服し、長年理論によって予想され、その存在が議論されてきた1/3磁化プラトーの明瞭な観測に成功しました。今後の研究により、未解明に残されてきたといっても過言ではない量子カゴメ反強磁性体の1/3プラトーの実験的な解明が進むと期待されます。

超伝導や超流動の発見と同様に、新しい量子状態の発見は物質科学に大きな発展をもたらします。本研究でのデモンストレーションをきっかけとして、フラストレーションと量子揺らぎに基づいた新しい磁場中量子状態の探索研究が進展し、量子物質科学の発展に貢献すると期待されます。

なお、本研究成果は、2024年12月28日（土）公開のCommunications Physics誌に掲載されました。

論文名：One-third Magnetization Plateau in Quantum Kagome Antiferromagnet（量子カゴメ反強磁性体における1/3磁化プラトー）
DOI:https://doi.org/10.1038/s42005-024-01922-0

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