東北大学金属材料研究所の木村尚次郎准教授と柿畑研人大学院生らは、松本正茂教授（静岡大学理学部）、萩原政幸教授（大阪大学大学院理学研究科付属先端強磁場科学研究センター）、田中秀数教授（東京工業大学大学院理工学研究科）とともに、磁気準粒子マグノンのボース・アインシュタイン凝縮（BEC）により誘起される強誘電を発見しました。
2つのCu2+スピンがなす反強磁性ダイマーを基本的な構成ユニットとして持つTlCuCl3のスピンシングレット基底状態からの磁気励起は、ダイマー上に励起されたトリプレットが格子を伝搬するマグノンと呼ばれる特徴的な準粒子です。強磁場の印加によってマグノンが持つエネルギーギャップが消失すると、基底状態にマグノンが誘起されBECが生じますが、この磁場誘起状態において一つのダイマーの量子状態を記述する波動関数は、スピンシングレット-トリプレット状態の重ね合わせとなります。この重ね合わせ状態に電気分極に関する有限の期待値が存在し、BECによる結晶格子全体のコヒーレンスの発達によって巨視的な強誘電が現れることが明らかになりました。量子状態の重ね合わせに電気磁気効果の発現を促す活性能力が潜在することを示したこの結果は、強い量子揺らぎを持つ磁性体の新たな機能の開拓に繋がるものと期待されます。
本成果は、英国のオンライン科学雑誌「Nature Communications」に掲載されました。
詳細: Nature Communications ウェブサイト [DOI:10.1038/ncomms12822]
図：磁場誘起マグノンBECによる強誘電の発生