磁石に代表される磁性体は、コンピューターデバイスやモーターなど様々な場面で現代のテクノロジーに大きく寄与しています。近年、固体物理学では、通常とは異なる磁性体、特にフラストレーションがある磁性体で見られる秩序状態や素励起に注目が集まっています。フラストレーションとは、磁性体内の電子が持つスピンの配置が一意に定まらず、安定した状態を取れない現象です。人間だけでなく物質も板挟み状態ではフラストレーションを感じるようです。通常、磁性体ではスピンは平行（強磁性）または反平行（反強磁性）に揃う傾向[図(a)]があります。しかし、三角格子やジグザグ格子ではフラストレーションによって安定なスピン配置が存在できず[図(b)]、絶対零度までスピンが揃わない量子スピン液体状態や、スピンが“分裂”したようにふるまうスピノン励起、マヨラナ励起といった特異な物理現象が現れることがあります。

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　最近、私たちの研究チームは希土類元素であるイッテルビウム（Yb）を含むジグザグ格子を持つ磁性半導体YbCuS2で特異な現象を発見しました[1]。YbCuS2は半導体なので電子は伝導しないのですが、低温で種々の物理量が金属のようになります。これは、負の電荷を持つ電子が、まるで電気的中性な準粒子としてふるまっていることを示しています。この発見は、従来の理論では説明できず、新しい理論の進展も生み出しています[2]。

　YbCuS2は、新たなフラストレーションを持つ磁性体のプラットフォームとして非常に有望だと考えています。さらに、この中性準粒子は電気を流さないので、発熱を伴わない省エネルギーメモリデバイスのような新しいデバイスへの応用が期待できます。今後の研究では、YbCuS2における中性準粒子の起源や性質の解明を進めていきたいです。フラストレーションを持つ磁性体の理解が深まり、新たな物理現象や技術応用の可能性が広がることを期待しています。

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ジグザグ鎖で現れる電気的中性準粒子のイメージ図

参考文献
[1]F. Hori et al., Commun. Mater. 4, 55 (2023).
[2]H. Saito et al., Phys. Rev. Lett. 132, 166701 (2024).