要点在高压下进行了三氯化铯铜( CsCuCl3)的磁测量实验 结合前期实验进行理论模型分析，确定磁参数的压力依赖性 用平面状的有效模型描述磁性离子呈链状排列的物质，构筑了通过加压控制量子性的概念
日本大学文理学部物理学科的山本大辅副教授(研究开始时是青山学院大学理工学部物理数理学科助教)、神户大学研究基础中心的樱井敬博助教、神户大学研究生院理学研究科物理学专业博士前期课程(当时)的奥藤凉介、神户大学分子光子科学研究中心的大久保晋副教授和太田仁教授、 东京工业大学理学院物理学系的田中秀数教授、东京大学物性研究所的上床美也教授的研究小组在10，000大气压以上的高压下，对三氯化铯铜( CsCuCl3)的链状磁性体进行了磁测量实验和理论模型的分析，压制了其量子性(量子力学性质)的强度 发现在该磁性体中存在无数“极小磁铁”——磁性离子，但施加高压后会变化为“量子重叠”和“量子纠缠”等具有强烈量子力学性质的“量子自旋”(图1 )。 该成果表明，即使是具有经典力学行为的物质，量子性也会因压力而被引出，为了使用已经发现或合成的各种链状物质来解释难解的量子物质的特性，也提出了新的研究方法。
图1 .活塞缸压力单元引起的加压和磁性离子向量子自旋的变化。
该成果于2021年7月12日刊登在了《网络研究》发行的学术杂志《网络通信》上。
发布概述: 背景 我们身边物质的性质，是由构成它的微观要素的集体行为决定的。 例如在磁铁(磁性体)中，被称为“自旋※1”的“极小磁铁”每1 cm3存在1兆的百亿倍左右的个数，这些磁铁聚集在一起产生了物质整体的磁性。 该自旋的性质以被称为自旋量子数※2的数s为特征，其值主要取决于作为物质晶体结构单位的磁性离子※3拥有多少电子。 这个s从小到大只能取“二分之一”、“一”、“二分之三”、“二”、“二分之五”…这样的二分之一刻度的值。 每个物质都决定了s的值。 一般来说，s越大，自旋的行为就像单纯的“微小的棒磁铁”，但s越小，自旋的量子力学性质就越显着。 例如量子性最强的s为二分之一时，旋转能够朝向的方向只有两个(↑和↓)。 此时不可思议的是，在微观量子力学的世界里，这两种状态被允许“同时重叠※4”存在。 因此，如果只测量一个该自旋，则根据重叠程度，会有概率地检测出是向上(↑)还是向下(↓)。研究的经过 由于磁性体有无数的自旋，所以实际的测量结果不是离散的，而是测量平均值(期望值)。 尽管如此，在s值小的物质的情况下，起因于微观要素的“量子重叠”和“量子纠缠※5”的效果，特殊的性质有时也会出现在测量结果中。 这种强烈显示量子性的物质称为量子物质，磁性体的情况下特别称为“量子磁性体”。 从保存电脑数据的硬盘到医疗现场的MRI，现代文明都是由利用磁性体的器件支撑的，但如果量子性强的磁性体的研究不断发展，则有望开发出更加方便丰富我们社会生活的创新器件。 2017年7月，广岛大学等的实验小组报告了对三氯化铯铜( CsCuCl3)这种磁性体施加10，000大气压的高压进行磁测量的实验※6。 在该高压下的磁测量结果中，观测到了被称为磁化平台※7的量子磁性体特有的性质，我们对此产生了很大的兴趣。研究成果 受广岛大学等人的实验报告的刺激，我们首先在神户大学分子光学研究中心同样对超过10，000大气压的压力下的三氯化铯铜进行了更详细的磁测量。 这是马里亚纳海沟最深处水压(约1，000个大气压)的10倍压力，通过在一个叫做“活塞缸压力单元”的装置中装入物质样本来实现(图1 )。 三氯化铯铜具有磁性离子排列成链状的结晶结构，无数链排列成三角形的格子图案(图2a )。 虽然各个磁性离子的自旋量子数s是最小的“二分之一”，但由于多个磁性离子呈链状牢固结合，“表观s值”会变得更大，量子性质不会在常压下出现。 但是，高压下的实验结果与广岛大学等人的报告一样，显示三氯化铯铜转化为了具有强量子性的磁性体。我们通过对压力下的测量数据建立理论模型，分析了物质的参数随着压力强度的增加而如何变化。 结果表明，通过加压，链状排列的磁性离子的结合减弱，“表观s值”变小。 这显示了在常压下几乎看不到量子性的三氯化铯铜，变成了具有量子力学行为的量子磁性体。 并且，为了理解这种变化，从将链状排列的磁性离子看作一个大自旋的“挤压映射”的新观点出发，导入了自旋排列在三角形晶格图案平面上的有效模型(图2b )。 根据该平面模型的看法，可以直观地理解，通过加压，s的值从大值减少到小值，结果发生了从经典力学的磁性体向量子力学的磁性体的变化(交叉) (图2c )。 这相当于通过压力(表观上)连续控制了本来只有跳跃值的s的值。本研究的意义及今后的展开 具有平面状排列磁性离子结构的“模拟二维磁性体”的量子性很容易显现，迄今为止备受关注并进行了研究。 但是，由于这样的磁性体一般难以合成，因此具有漂亮晶体结构的量子物质有限。 但本研究表明，利用链状磁性体在压力下进行实验也可以研究同样的物理。 迄今为止，除了三氯化铯铜以外，还发现了许多链状磁性体。 本研究给出的新研究方法可以应用于解决各种量子磁性体的问题，期待对今后的物性研究起到巨大的作用。用语解说、引用文献 ※1旋转 将粒子旋转的动量作为量子力学的概念。 例如电子是自转的，可以解释为具有右旋和左旋两种自旋值。 ※2自旋量子数 表征自旋可取离散值个数的数 ※3磁性离子 物质中通过与其他原子的结合，内部的电子数比本来增加或减少的原子(离子)中，来自上述自旋的具有磁性的原子 ※4量子重叠 量子力学的基本性质之一。 例如，通过左右2个狭缝空着的板向照片干板发射多个电子。 于是，根据通过右侧的状态和通过左侧的状态的重叠，在照片干板上描绘出浓淡的条纹。 ※5量子纠缠 量子力学的基本性质之一。 量子纠缠的两个粒子，无论相距多远，一个的测量结果都会影响另一个的测量结果。 ※6 A. Sera，Y. Kousaka，J. Akimitsu，M. Sera，K. Inoue，精度指数传递=1/ 2三分之一 ※7磁化平台 通常对磁性体施加磁场后磁化(磁力强度)单调增加，但在达到饱和量之前在特定的磁场强度区域磁化值不再增加的现象論文掲載
論文タイトル：Continuous control of classical-quantum crossover by external high pressure in the coupled chain compound CsCuCl3
掲載誌：Nature Communications
著者：山本大輔（日本大学、青山学院大学）、櫻井敬博、奥藤涼介、大久保晋、太田仁（神戸大学）、田中秀数（東京工業大学）、上床美也（東京大学）
