堀文哉 理学研究科博士課程学生、金城克樹 同博士課程学生（現：東北大学助教）、北川俊作 同助教、石田憲二 同教授、水谷宗一郎 広島大学修士課程学生（研究当時）、山本理香子 同博士課程学生（現：同博士研究員）、大曲雄大 同修士課程学生（研究当時）、鬼丸孝博 同教授の研究グループは、イッテルビウム化合物YbCuS2の非整合反強磁性相において電気的中性な準粒子の存在を明らかにしました。
近年、固体物理では、通常の磁性体で知られていない秩序状態や準粒子の研究が注目されています。なかでも系全体のスピンの配列が一意に定まらないフラストレーション現象ではそのような特異な物性が発現することが期待されています。本研究グループは、希土類のイッテルビウム原子（Yb）がジグザグ鎖を組む磁性半導体YbCuS2に着目し、希土類ジグザグ鎖によるフラストレーションの効果について調べました。銅（Cu）核の核四重極共鳴（NQR）測定および比熱測定の結果、YbCuS2が非整合反強磁性秩序を示し、その秩序相で負の電荷をもつ電子とは異なる電気を運ばない電気的中性な準粒子が存在していることを明らかにしました。
本研究で得られた結果は従来のジクザグ鎖フラストレート磁性体の理論では説明できないことから、新しい理論の必要性を示しており、YbCuS2が新たなフラストレート磁性体のプラットフォームとして有望であることを明らかにしました。また、本研究で発見した中性準粒子は通常の電子とまったく異なる性質をもつため、次世代量子コンピュータや省エネルギーメモリデバイスなどの新しいデバイスへの応用が期待できます。
本研究成果は、2023年7月22日に、国際学術誌「Communications Materials」にオンライン掲載されました。
「YbCuS2は、1. 磁気相転移では珍しい一次相転移、2. 特異な振る舞いを示す磁場-温度相図、そして本研究で明らかになった3. 磁気モーメントの縮んだ非整合反強磁性状態、4. 謎の中性準粒子、と面白い現象盛りだくさんな物質です。特に最近、固体物理の中心的課題の１つになってきた中性準粒子の発見は非常に興味深い結果です。今後は、YbCuS2における中性準粒子の起源や性質についてのさらなる解明に取り組む予定です。」（堀文哉）
【DOI】
https://doi.org/10.1038/s43246-023-00381-4
【KURENAIアクセスURL】
http://hdl.handle.net/2433/284488
【書誌情報】
Fumiya Hori, Katsuki Kinjo, Shunsaku Kitagawa, Kenji Ishida, Souichiro Mizutani, Rikako Yamamoto, Yudai Ohmagari, Takahiro Onimaru (2023). Gapless fermionic excitation in the antiferromagnetic state of ytterbium zigzag chain. Communications Materials, 4:55.
