フラストレーションが創る新しい物性（川村　光）

研究領域名

フラストレーションが創る新しい物性

研究期間

平成19年度～平成23年度

領域代表者

川村　光（大阪大学・大学院理学系研究科・教授）

領域代表者からの報告

（1）研究領域の目的及び意義

　「フラストレーション」という概念が注目を集めている。これは色々な最適化の条件がお互いに競合し、系がそれらを同時に満たすことが出来ない状況を指す。フラストレート系では、しばしば、物質内部に大きく特異な揺らぎが発生し、その結果、通常とは異なった新奇な秩序や熱力学相が実現したり、メモリー効果のような特異な非平衡ダイナミックスや巨大応答が出現する。近年、フラストレーション研究は、磁性分野から金属・超伝導体・誘電体等のより広汎な分野へと、急速な展開を見せつつある。本特定領域では、フラストレート磁性の研究を核としつつも、これら多様なフラストレート系を分野横断的に探求することにより、フラストレーションが生む新物性の創出を目指す。研究項目として「フラストレート系の基礎物性」「フラストレーションが生む新現象とその応用」の２つをおく。基礎と応用、理論と実験の密接な協力の下、「幾何学的フラストレート磁性体の新奇秩序」、「フラストレーションとカイラリティ」、「量子フラストレーション」、「フラストレーションと量子伝導」、「スピンフラストレーションと磁気強誘電性」、「フラストレーションとリラクサー」、「スピン・電荷・格子複合系における幾何学的フラストレーションと機能」の研究を推進し、フラストレート系固有の強く特異な揺らぎの効果を母体とした新規物性、競合する諸自由度の絡みから生み出される交差物性や新たな外場制御法の創出を図る。

（2）研究の進展状況及び成果の概要

　フラストレーション研究のコアとなってきた磁性分野で近年大きな興味を集めているトピックに、「量子スピン液体」がある。これまで典型物質が知られていなかったS=1/2 量子カゴメ反強磁性体に対し、本特定領域研究では世界に先駆けてvolborthite とvesignieite という2つのカゴメ純良試料合成に成功し、現在その興味ある物性を明らかにしつつある。加えて、ハイパーカゴメ格子反強磁性体やハニカム格子反強磁性体、3角格子反強磁性体においても、スピン液体候補物質を見出し、その特異な物性の探索を進めている。フラストレート磁性体は低温で何らかの秩序を形成する場合も多いが、そこで実現する秩序はしばしば新奇なものとなる。特に右・左の自由度に対応したカイラリティが特異な物性を導くことが理論研究から示唆され、関連した新奇な秩序化現象（カイラル相、カイラルグラス秩序）や新奇伝導現象（カイラリティ起源の異常ホール効果）が、金属スピングラス系やパイロクロア系を舞台に、実験的に次々と見出されつつある。フラストレート磁性体は、格子・軌道・電荷といった自由度とのカップリングを通しフラストレーションを解消することがある。特に強誘電性とのカップリングは、「マルチフェロイックス」として、近年大きな注目を集めている。本特定領域研究では、電気分極の向きがスピンカイラリティと対応していることを偏極中性子測定により明確に示し、さらに、マルチフェロ物質における磁場による電気分極制御、電場による磁化制御にも世界に先駆けて成功した。

審査部会における所見

A－　（努力の余地がある）

　フラストレーションの持つ可能性に着目し、それが導く新物性の開拓を目指す本研究領域は、量子スピン液体の発見やマルチフェロイクス分野での特筆すべき研究成果等、持てるポテンシャルが発揮された優れた研究成果をあげており、研究は概ね順調に進展している。また、研究成果の公表にも積極的で、この点も評価できる。しかしながら、これまでの研究成果は、参画する個人の能力に負うところが大きく、本研究領域が有機的に機能した成果とは言い難い。今後は、化学や構造分野の貢献を目に見える形で引き出すなど、研究領域内の連携を一層深める必要がある。従来からある「フラストレーション」や「マルチフェロイクス」の概念を超えた新しいパラダイムを提示できる本研究領域ならではの研究成果を生み出すことを期待する。