【発表のポイント】

• コバルト酸化物の組成制御により新しいタイプの半導体を発見。
• 絶縁状態と磁気膨張の起源を、スピン状態の量子重ね合わせ機構により説明することに成功。
• この物質系を原型とした、電気を流さない省エネ型量子コンピュータの基本素子となりうる励起子絶縁状態の実現に期待。

スピン状態制御の設計図。左側と右側の模式図は、陰イオンが八面体配位したCo³⁺やFe²⁺に発現する低スピンと高スピン状態を示す。6つのd電子が、三重縮退したt_2g軌道と二重縮退したe_g軌道を異なる配置で占有している。中心の領域は、異なるスピン状態の量子重ね合わせなどの特異な状態を表す。LaCoO₃へのSc置換は、橙色の矢印のように、その制御パラメターとして働く。

【概要】

東北大学大学院理学研究科の富安啓輔助教、東京理科大学理工学部の岡崎竜二准教授、茨城大学フロンティア応用原子科学研究センターの岩佐和晃教授、東北大学金属材料研究所の野島勉准教授、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の神山崇教授、石川喜久研究員（現：総合科学研究機構）、日本原子力研究開発機構J-PARCセンターの河村聖子研究副主幹らの共同研究チームは、低温で磁石としての性質を示さないことで知られるコバルト酸化物LaCoO₃のCoをScで化学置換した新たな物質LaCo_1-yScyO₃において、元のLaCoO₃とは磁気・電気・熱的性質の全く異なる絶縁状態が現れることを発見しました。また、X線回折・中性子分光実験の結果、この絶縁状態が、電子スピン^（注１）の総和が異なる2種類の原子状態（低スピンと高スピン）の量子力学的な重ね合わせにより現れるという、これまでに例のない発現機構を突き止めました。この成果は、励起子絶縁^（注２）と呼ばれる歴史的に観測例の少ない量子力学的な凝縮状態の糸口をつかんだものとして、その実現だけでなく、将来的な新規量子コンピュータ素子への発展が期待されます。本研究の成果は、平成30年10月7日（中央ヨーロッパ時間）、ドイツの国際科学論文誌Advanced Quantum Technologiesに掲載され、実験データが表紙を飾りました。

【用語説明】

（注１）電子スピン
電子は電気を帯びるだけでなく、電気の雲が自転することで電磁石にもなっています。この自転や磁石としての性質をスピンと呼びます。日常や産業の様々な場面で用いられる磁石の性質は、電子スピンが同方向に整列することによって生み出されています。

（注２）励起子絶縁
超伝導（電気抵抗ゼロ）状態は、二つの電子が対となって作られます。同様に、電子と正孔（電子が抜けて生まれる正電荷を持つ穴）が対になると、理論上、励起子絶縁と呼ばれる状態が出現しえます。この状態は、励起子の総電荷がゼロなので電気的絶縁体であり、抵抗ゼロの励起子超流動やその他の重要な量子効果を示す可能性があります。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

＜研究に関すること＞
東北大学大学院理学研究科物理学専攻
助教　富安　啓輔（とみやす　けいすけ）
電話：022-795-6487、E-mail：tomiyasu*tohoku.ac.jp （*を@に置き換えてください）

＜報道に関すること＞
東北大学大学院理学研究科
特任助教　高橋　亮（たかはし　りょう）
電話：022−795−5572・6708、E-mail：sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp （*を@に置き換えてください）

東北大学金属材料研究所
情報企画室広報班　冨松　美沙（とみまつ　みさ）
電話: 022-215-2144 E-mail: pro-adm*imr.tohoku.ac.jp （*を@に置き換えてください）