金属強磁性体SrRuO₃を用いて電子状態の量子力学的な位相をスピンの運動として初めて観測

【用語解説】

※1
強磁性体とスピン波
結晶中の原子がスピン（微視的な磁石）をもち、スピンの方向を同じ向きにそろえようとする力（交換相互作用）が働く場合がある。この力によって結晶内のスピンは同じ方向を向く場合、これを強磁性体と呼ぶ。温度が上昇すると、熱ゆらぎが大きくなり、同じ向きに向いている平均的なスピンの大きさ（磁化）は減少する。熱ゆらぎが大きくなって交換相互作用に打ち勝つと、スピンはばらばらの方向を向いて磁化はゼロになる。このように温度が上昇して磁化がゼロになる温度（逆にスピンがばらばらの状態である高温から温度を下げて磁化が生じる温度）をキュリー点と呼ぶ。強磁性状態のとき、揃ったスピンの一部に揺らぎが加わると周囲のスピンの向きも変化し、この揺れが結晶全体に波として伝播する。これをスピン波と呼ぶ。スピン波を励起させるエネルギー（スピン波のエネルギー）は、交換相互作用に比例する。強磁性体に外から磁場をかけると、スピンは磁場の方向に向こうとし、揺らしにくくなるので、スピン波のエネルギーは増加する。外から磁場がかかっていない場合でも、ある方向に内部磁場がかかっているとみなすことができる場合もスピン波のエネルギーは増加する。通常は温度上昇によって熱ゆらぎは単調に増加するので、磁化も単調に減少し、スピン波のエネルギーも単調に減少する。それに対して今回発見したSrRuO₃のスピン波のエネルギーの非単調な温度変化は、内部磁場以外の要因が働いていることを示している。

※2
電子状態の量子力学的な位相
電子は量子力学によると波として振る舞うので、波を特徴づける量である「位相」が重要となる。相対論的量子力学を記述するディラック方程式は運動量項と質量項からなる。このうち質量項をゼロとおいた方程式で記述される粒子をワイルフェルミオンと呼ぶ。これは、質量がないと考えられていたニュートリノを記述しようとしたものである。SrRuO₃の電子状態は、ワイルフェルミオンと数学的に等価な構造を持ち、電子状態は運動量空間で記述されるので、運動量空間におけるワイルフェルミオンあるいは質量のないディラック電子と呼ばれる。ワイルフェルミオンで記述される電子状態は、量子力学的な位相を発生させ、運動量空間でのモノポールとして振舞う。

※3
ホール効果
通常のホール効果では、電流に垂直に磁場をかけると、その両方に垂直な方向に起電力を生じ、ホール抵抗（起電力と電流の比）は磁場に比例する。強磁性体では、ホール抵抗にさらに磁化に比例する項が加わり、外部磁場がなくてもホール効果が起きる。これを異常ホール効果と呼ぶ。しかし、金属強磁性体SrRuO₃のホール抵抗は磁化に比例しない。SrRuO₃のようにワイルフェルミオンで記述される電子状態は、運動量空間でのモノポールとして振舞い、モノポールの磁場が異常ホール効果の起源となる。

※4
中性子ブリルアン散乱
中性子非弾性散乱実験では、スピン波からの中性子散乱強度をエネルギーと運動量の関数として測定するが、エネルギーと運動量の関係を分散曲線と呼ぶ。強磁性体のスピン波を観測する場合、単結晶試料を用いれば、スピン波の分散曲線上の観測しやすい領域に実験条件を選ぶことが容易に実行できる。しかし、粉末試料の場合は、散乱強度は、運動量ゼロ近傍の散乱のみが残り、運動量が大きくなると粉末平均によって急速に減衰する。運動量ゼロ近傍を観測する前方散乱近傍の中性子非弾性散乱を中性子ブリルアン散乱と呼ぶ。運動量ゼロ近傍にアクセスし、中性子ブリルアン散乱の実験条件を実現するためには、低散乱角（前方散乱近傍）で、高いエネルギーの中性子を入射し、高分解能を実現し、中性子散乱の運動力学的限界に迫る実験条件で実験する必要がある。HRCは同種の分光器に比べて低散乱角に中性子検出器が配置されていて、高いエネルギーの中性子を高分解能で利用できるので、今回の実験に必要なエネルギー運動量空間にアクセスすることが可能となった。この領域は、MLFではHRCのみがアクセスできる。中性子ブリルアン散乱実験は新しい実験方法ではなく、古くから、粉末試料等の磁性体のスピン波がより低エネルギーの場合に原子炉に設置された分光器で測定されてきたが、最近の技術的進歩により、アクセスできる領域が拡大した。中性子ブリルアン散乱専用装置としては、フランスのラウエランジュバン研究所にBRISP分光器がある。物質科学研究や材料開発では、新しい物質が合成されても、それが構造的にも化学的にも複雑な場合には、必ずしも大型の単結晶試料が合成されるわけではない。HRCの中性子ブリルアン散乱は、粉末試料、多結晶試料、非晶質試料、液体試料を用いても、協調的な原子の運動を観測できる実験方法であり、物質開発に対して有望な実験手法がJ-PARCにおいても可能になったことを示すものである。