電子：自転がふらつくと、軌道も変わる
―磁性物質における電子スピンのふらつきと電子軌道の結びつきが明らかに―

発表者：

有馬 孝尚（東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻　教授）

松浦 慧介（東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻　博士後期課程3年）

梶本 亮一（日本原子力研究開発機構原子力科学研究部門J-PARCセンター物質・生命科学ディビジョン中性子利用セクション 研究主幹）

発表のポイント：

• マンガンとバナジウムの複合酸化物（注1）における電子の自転（スピン）のふらつきについて、中性子を使った測定と、コンピュータによる数値計算の結果を比較した。
• 測定と計算の間には大きな違いが認められ、1秒間に5兆回ふらつく場合、電子スピンのふらつきと電子軌道の変化が強く結びついていることが明らかになった。
• 電子スピンと電子軌道の結びつきを利用した革新的な熱伝導制御や磁気の超高速制御が可能であることが原理的に示された。

発表概要：

東京大学、日本原子力研究開発機構、J-PARCセンター、総合科学研究機構の共同研究チームは、中性子ビームを利用して、マンガンとバナジウムの複合酸化物における電子スピン（注2）のふらつきを測定し、磁性体において熱の伝わり方や磁石の向き、磁石の強さなどをコントロールする場合に重要な指標である電子スピンのふらつきが電子軌道の変化と結びついていることを明らかにしました（図1）。

本研究では、実験による測定値を、コンピュータを用いた数値計算の結果と比較し、その結果、電子スピンが1秒間に5兆回の速さでふらついた場合に、電子の軌道も変化すると考えないとつじつまが合わないことを明らかにしました。

これまでに、非常に多くの物質でスピンのふらつきが観測されてきましたが、電子の軌道は変化しないと考えても説明がつくものでした。それに対して今回の物質では、電子スピンのふらつきが電子軌道の変化と結びついており、電子軌道を強制的に1秒間に5兆回変化させればその速度で電子スピンのふらつきが生じることが示唆されました。この物質では、多くの電子のスピンが同じ方向を向いていて磁石としての性質を持つことから、外部から光や力を与え電子軌道を変化させることで、熱伝導や磁気の超高速な制御が可能であることが原理的に示されたことになります。