強誘電体から発現するトポロジカルなスピン励起 ー電荷と格子が強く結合した場を動き回るスピンソリトンー

物質の中には、電荷・スピン・格子といった複数の自由度が存在し、それらが協調することでさまざまな現象が発現します。近年、分子性物質において電荷と格子の自由度が強く結合した電子型強誘電体と呼ばれる状態が発見されました。このような状態（系と呼ぶ）では、格子が変位すると同時に電荷が移動することにより、巨大な電気分極が発現します。一方で、電子が持つもう一つの重要な自由度であるスピンについては、一重項状態（シングレット）と呼ばれる量子力学的なペアを組むために、あらわにはならず、ほとんど注目されてきませんでした。
今回、東京大学大学院工学系研究科の須波圭史学術支援専門職員、宮川和也助教、鹿野田一司教授らを中心とする研究チームは、このような電子型強誘電体に圧力を加え、強誘電性が消えるとされる温度の近傍において、そのスピン状態を核磁気共鳴法によって精密に調べました。その結果、強誘電秩序が破壊されると同時に、スピン自由度が生み出されることを明らかにし、それが物質内を拡散的に伝搬していることを実証しました。そしてこのスピンの伝搬は、シングレットペアの組み残しとして生じる孤立スピンが物質内を拡散的に動いている、ソリトン的なトポロジカル励起によるものであることを突き止めました。このように物質内を動き回るソリトンは、導電性高分子として知られるポリアセチレンにおいては、電気伝導を担う粒子として盛んに研究されてきましたが、電荷と格子が強く結合した強誘電体において、磁性を担うソリトンの存在とその運動は今回初めて実証されました。
今回の研究成果は、強誘電体の物理に磁性という観点から新たな展開を与えるのみならず、従来のエレクトロニクスにおける電気を運ぶ担い手である電子とは異なる形で物質内を動き回るソリトンが引き起こす、電気的・熱的な輸送特性という応用的な研究にも波及していくことが期待されます。本研究は、2018年12月1日（日本時間）に米国科学誌「Science Advances」（オンライン版）で公開されました。

プレスリリース本文：PDFファイル

Science Advances：http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaau7725

新領域創成科学研究科：https://www.k.u-tokyo.ac.jp/

日本経済新聞社：https://www.nikkei.com/article/DGXLRSP496772_Y8A121C1000000/