物性物理学：ハニカム格子上のスピン–軌道量子液体
Nature 554, 7692 doi: 10.1038/nature25482
ハニカム格子は、最も単純な格子構造の1つである。しかし、この単純な格子上の電子およびスピンは、非自明な励起を伴う新奇な状態を形成することが多い。グラフェンで実験的に実証されたように、遍歴電子から質量のないディラックフェルミオンを出現させることができ、また、キタエフ模型で理論的に提唱されているように、新奇な準粒子を伴うトポロジカル量子スピン液体をスピン1/2磁性体において実現できる。量子スピン液体は、長く探求されてきた新奇な物質の状態であり、相互作用するスピンの集団は自発的な対称性の破れを示すことなく量子的に無秩序のままとどまっている。キタエフ模型は、量子スピン液体を導く理論模型の1つであり、2種類のマヨラナフェルミオンを導入することによって厳密に解くことができる。しかし、実験室でのキタエフ模型の実現は、依然として物質科学における最も挑戦的な課題である。5d電子系のα-Na2IrO3とα-Li2IrO3、および4d電子系のα-RuCl3を含む、スピン–軌道結合した擬似スピン1/2モーメントがハニカム格子上に位置する複数のモット絶縁体が、これまで候補として提案された。しかし、これらの候補は、非キタエフ型相互作用に起因して、十分に低い温度では液体を形成することはなく、磁気秩序を示すことが明らかになった。本論文では、5d電子ハニカム化合物H3LiIr2O6における擬似スピン1/2モーメントの量子液体状態を報告する。このイリジウム酸化物は、モーメント間の相互作用エネルギーが約100 Kに達するにもかかわらず、少なくとも0.05 Kまでは磁気秩序を示さない。また、核磁気共鳴緩和と比熱における少数のスピン欠陥に由来する低エネルギーのフェルミオン励起の特徴が観測された。従って、H3LiIr2O6は量子スピン液体であると結論付けられる。これらの実験結果から、強くスピン–軌道結合した5d電子遷移金属酸化物において新奇な準粒子を探索する扉が開かれる。
