量子イジング磁性体 K2Co(SeO3)2 における超固体の相図と分光学的指標

流れる固体の奇妙な世界

剛体としての結晶性と摩擦のない流体性を同時に備えた物質を想像してみてください。この直感に反する状態は「超固体」と呼ばれ、数十年にわたり物理学者を魅了してきましたが、実物材料で確定するのは難しいままでした。本研究では、コバルトを主成分とする磁性体 K2Co(SeO3)2 がまさにこのエキゾチックな振る舞いを示すことを示しています。極低温と強磁場の下でスピン（原子レベルの小さな磁石）がどのように配列し、揺らぐかを精密に写し取ることで、研究者らは1つではなく2つの異なる超固体相を明らかにし、実験的にアクセス可能な新しい窓を量子物質の最も奇妙な形態に開きました。

平坦な磁気の遊び場

この発見の鍵は幾何学とフラストレーションにあります。K2Co(SeO3)2 では、磁性コバルトイオンが平坦な三角格子面上に配置しています。こうした格子では隣接するスピンが互いに逆向きになることを好みますが、三つのスピンが三角形を成すときにはそのルールをすべて満たすことができません。この「フラストレーション」は、エネルギーがほぼ同じ多数の配置を生み出します。零磁場かつ低温では、中性子散乱実験が示すところによれば、スピンはより大きな三サイト単位格子を持つ繰り返しパターンを選び、結晶の規則正しい間隔を破ります。同時に、スピンは完全に凍結するわけではありません：整列した磁気モーメントの大きさは大幅に減少しており、系が秩序と無秩序の間で激しい量子運動にさらされていることを示しています。

秩序と流れが共存するとき

この落ち着かない状態が超固体であるかを明らかにするため、研究チームはスピンの配列だけでなくその運動にも着目しました。非常に感度の高い中性子分光法を用いることで、単純な磁石で期待されるような鋭い波ではなく、広がった磁気励起帯を系が支えることを見出しました。三角パターンによって決まる特定の波数ベクトルでは、エネルギーがゼロまで降下するモードと、ごく小さなが有限のギャップを持つ別のモードという二つの重要な要素が同時に観測されました。対称性の言葉で言えば、これらの特徴は系が連続的なスピン回転対称性（抵抗なく流れる超流動に相当）と離散的な並進対称性（繰り返す密度パターンを持つ結晶に相当）の両方を破っていることを示します。これらが磁場下の設定における超固体の双璧の印です。

磁場による量子相図

スピンの易軸に沿った磁場を印加することで、競合する配置のバランスを調節できます。広い温度・磁場範囲での比熱と磁化の測定は、詳細な相図を明らかにします。中程度の磁場では、各三角形上でスピンが「アップ–アップ–ダウン」パターンをとり、磁化が最大値の3分の1にロックされる頑強なプラトーを生み出します。この相転移は、よく知られた二次元ポッツ模型で予測される挙動と一致し、基礎となる相互作用が理想的な理論ケースに非常に近いことを裏付けます。低い磁場領域では、データは系が滑らかに低磁場の超固体領域に移行することを示しており、そこでは有限だが長い相関長が三つの部分格子対称性を実質的に破っています（零磁場でも同様です）。

飽和近傍に現れる第二の超固体

高磁場での驚きはこれで終わりません。磁化が飽和に近づくと、詳細な磁化とエントロピーの測定から、3分の1プラトーと完全整列状態の間にもう一つの相が挟まれていることが明らかになりました。同じ三角格子模型の理論は、この磁場窓で系が再び超固体を宿すことを予言します：スピンはほとんど整列しているものの、少数の成分が依然としてコヒーレントに動けるため、剛なパターンと量子流が共存する混合状態が生じます。実験はこの予言と一致しており、高磁場超固体に入るときに期待される鋭い一次相転移様のジャンプも観測されます。プラトー相におけるスピン波スペクトルを解析することで、研究チームは相互作用の強さを特定し、最近接のみが実質的に重要であることを示しました。これにより K2Co(SeO3)2 は理想模型の異例にクリーンな実現系となっています。

量子物質研究にとっての意義

非専門家に向けた主要なメッセージは、K2Co(SeO3)2 が一見矛盾する振る舞い、すなわち同時に固体的で超流動的な性質を示す物質の実験室として機能するという点です。この磁性体では、スピンの位置は結晶中の原子のように繰り返しパターンを作る一方で、その量子的運動は流体のように非局在化しコヒーレントであり続けます。この組み合わせにより、超固体相が理論上の好奇心ではなく詳細にマップされ、強力な分光ツールで精査できる対象として現れます。関連するエネルギースケールが従来の候補よりずっと高いため、この物質は精密な測定と理論の厳密な検証を可能にし、量子ゆらぎがまったく新しい物質状態をどのように形作るかを理解するためのベンチマーク系となります。

引用: Chen, T., Ghasemi, A., Zhang, J. et al. Phase diagram and spectroscopic signatures of a supersolid in the quantum ising magnet K₂Co(SeO₃)₂. Nat Commun 17, 2914 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69661-0

キーワード: 超固体, フラストレーション磁性, 三角格子, 量子スピン系, 中性子散乱