大阪公立大学のチームが、重要な量子現象であるKondo効果がスピンサイズによって逆の振る舞いをすると示した。小さなスピンでは磁性を抑制するが、大きなスピンでは磁気秩序を促進する。この発見は長年の見解を覆し、量子材料の進展に寄与する可能性がある。
凝縮系物理学の分野では、量子スピン間の集団的相互作用が予期せぬ振る舞いを引き起こす可能性がある。局在スピンが移動電子と相互作用する様子を記述するKondo効果は、量子系理解の中心として長年注目されてきた。伝統的に磁性の抑制剤と見なされてきたこの効果が、今、驚くべき二重性を明らかにした。大阪公立大学大学院理学研究科の山口博憲准教授らの研究グループは、有機ラジカルとニッケルイオンからなる有機-無機ハイブリッド材料を用いてKondoネックレスモデルを構築した。RaX-D分子設計フレームワークにより可能となったこのセットアップは、結晶構造と磁気相互作用の精密制御を許容した。スピン-1/2系に関する先行研究を基に、チームは局在スピンを1に増加させた。熱力学的測定により磁気的に秩序化した状態への相転移が示された。量子解析により、Kondo結合がスピン-1モーメント間の有効磁気相互作用を生み出し、長距離秩序を安定化させることが明らかになった。これは、Kondo効果がスピン-1/2で非磁性シングレットを形成し、スピンを全スピンゼロ状態に固定するという古典的見方を覆すものである。スピン1/2を超える場合には、磁性を育む。研究は、このスピンサイズ依存性を純粋なスピンオンリーのクリーンなプラットフォームで初めて実験的に確認したものである。Kondoネックレス概念は1977年にSebastian Doniachにより提案されたが、実材料における電子運動や軌道の複雑さから、実験実現は数十年間困難であった。「Kondo効果におけるスピンサイズ依存の量子原理の発見は、量子材料研究の全く新しい領域を開く」と山口氏は述べた。「スピンサイズを制御することで非磁性と磁性領域の間で量子状態を切り替える能力は、次世代量子材料のための強力な設計戦略である」。このような制御は、エンタングルメントや磁気ノイズなどの特性を形成し、スピンベースの量子デバイスやコンピューティング技術への道を開く。結果はCommunications Materials（2026年、巻7、issue 1）に掲載された。