この記事には広告（Amazon アソシエイトのリンク）を含みます。
磁石には N 極と S 極がある。学校で習うこの事実は、原子の世界でも基本です。電子のスピンや軌道運動が作る小さな磁石（磁気双極子）が向きをそろえると、鉄のような強磁性体になり、互い違いに並ぶと反強磁性体になります。中性子を当てれば、その並び方は見えます。
ところが、物質の中には「N と S」という言葉では書けない磁気の秩序があります。原子1個の磁気モーメントが双極子ではなく、もっと高次の形、たとえば8つの極が立体的に組み合わさった「八極子」として振る舞い、それが結晶全体でそろう。アクチノイドの酸化物 NpO₂（二酸化ネプツニウム）がその代表例で、ほかにもプラセオジムの化合物やオスミウムの複酸化物など、スピンと軌道の結びつき（スピン軌道相互作用）が強い物質で、こうした「隠れた秩序」が相次いで議論されています。
隠れた、と呼ばれるのには理由があります。八極子の秩序は時間反転対称性を破るのに、通常の磁気測定にはほとんど現れません。中性子散乱も、磁化の測定も、X 線も、決め手を欠いています。ある物質の基底状態が八極子の秩序なのか、それとも別の高次の秩序（四極子の秩序）なのか、理論の見積もりが割れたまま決着していない例がいくつもあります。
トロント大学の Ruairidh Sutcliffe・Kathleen Hart・Arun Paramekanti と東京大学物性研究所の Swati Chaudhary は、この見えない秩序を、結晶の「振動」に写し取って見る方法を提案しました。2026年7月の Physical Review Letters に載った理論の論文です。
フォノンに「右回り・左回り」が宿る
結晶の中の原子は、決まった振動数で揺れています。この格子振動を量子として扱ったものがフォノンです。立方晶の結晶では、対称性のおかげで、同じ振動数を持つフォノンが2つ組になっていることがあります。2つの揺れ方はエネルギーが等しく、どちらが先ということがない、縮退した状態です。
縮退は、何かが対称性を崩すと解けます。結晶が一方向に少し縮めば、2つの振動数はずれて別々の値になります。これは普通の、時間反転対称性を保ったままの解け方です。チームが注目したのは、それとは違う解け方でした。2つの揺れを複素数の重ね合わせとして組み直すと、原子の変位の位相が立方晶の対角線のまわりで一定の順序で回る、時間反転を破る固有モードが作れます。原子そのものが円を描いて動くわけではなく、本当の角運動量は持たないのですが、位相の回り方が右回りと左回りの2通りあり、「擬似的な角運動量」を定義できる。チームはこれを「擬似カイラル・フォノン」と名づけました。カイラルは「右手と左手のように鏡で重ならない」という意味です。
四極子は普通に割り、八極子は「右と左」に割る
問題は、どんな磁気秩序がこのモードを生むかです。対称性を調べると、時間反転を破る八極子のモーメントは、フォノンと直接には結びつけません。結びつくのは、時間反転を保つ四極子のモーメントのほうで、これはラマン活性なフォノン（光を当てて散乱光の振動数のずれから測れるフォノン）と1次で結合できます。
そこでチームは、磁性イオンの擬似スピン（四極子と八極子の自由度を1組にまとめたもの）と、その周りの八面体の籠の振動を一緒に扱う模型を作りました。速く揺れるフォノンが、ゆっくり揺らぐ擬似スピンの背景を感じ取る、という近似で、擬似スピンの熱的な揺らぎはモンテカルロ法で数値的に、量子的な揺らぎはスピン波として取り込みます。計算すると、答えは秩序の種類ではっきり分かれました。
四極子の秩序では、2つのフォノンは実数の重ね合わせに組み直され、擬似角運動量を持ちません。縮退の解け方も小さく、現実的なフォノンの寿命（線幅）を入れると2つの山は1つにぼやけて見分けがつかなくなります。一方、八極子の秩序では、フォノンは右回りと左回りの擬似カイラルなモードに割れ、2つの山の間隔は現実的な線幅を入れても分解できる大きさに残りました。しかも割れた2つの山は中心に対して対称ではなく、全体が少し低い振動数側へずれます。温度を上げて秩序が消えると、割れ目は埋まって1つの山に戻ります。
八極子の秩序が結晶全体で同じ向きなら、擬似カイラリティも一様に現れ、互い違いの秩序なら、擬似カイラリティも互い違いになります。つまりフォノンの右左を読めば、八極子の秩序があるかどうかだけでなく、その並び方まで推定できることになります。
どう測るか
右回りと左回りのフォノンは、円偏光したレーザーを使うラマン分光で、反対の偏光の組み合わせにそれぞれ現れます。この「ヘリシティ分解ラマン分光」はすでに、通常の双極子磁石のカイラル・フォノンの観測に使われている手法です。チームはこれを八極子秩序の候補物質、たとえばオスミウムの複酸化物 Ba₂CaOsO₆ やプラセオジムの化合物 PrV₂Al₂₀ に向けることを提案しています。どちらも基底状態が八極子の秩序か四極子の秩序かで議論が割れている物質で、フォノンの割れ方がその決着に使える、というわけです。
論文はさらに、強いレーザーパルスでフォノンの一方を大きく励起する「ポンプ・プローブ」実験でも、八極子の秩序があれば2つの振動数のうなりとして同じ割れ目が見えるはずだと計算しています。
理論の提案で、実験はこれから
念のために書いておくと、これは理論の論文です。Hackaday の記事の見出しは「8つの磁極の状態を検出」と書いていますが、八極子の秩序を実際にフォノンで検出した報告ではなく、「こう測れば見えるはずだ」という手法の提案と、その計算です。擬似カイラル・フォノンという概念そのものも、この論文で導入されました。結合の強さや分裂の大きさは第一原理計算の値を使って見積もっており、実際の物質で割れ目がどれくらい鮮明に出るかは、測ってみなければ分かりません。
それでも、この提案の筋は分かりやすいと思います。見たい秩序そのものは測定器に答えない。でもその秩序は、隣の四極子を通じて、原子の揺れの「右と左」に跡を残す。磁石の N と S では書けない秩序を、光と振動の手触りで探しにいく道が1本増えたことになります。量子的な磁気状態はセンサーや磁気記録への応用が語られますが、この研究はその手前の、「そもそもどんな秩序があるのかを確かめる道具」の話です。
関連する商品
この記事に関連する本や商品は、Amazon で探せます。
上のリンクから購入されると、このブログに紹介料が入ることがあります。
画像について
この記事の画像は AI（ChatGPT）で作った想像図で、ご自由にお使いいただけます。お使いになるときは、出典としてこの記事へのリンクを載せていただけるとうれしいです。
出典
- Sutcliffe, R., Hart, K., Chaudhary, S., Paramekanti, A. (2026) “Pseudochiral Phonons from Octupolar Magnetic Order” Physical Review Letters 137(3). https://doi.org/10.1103/n11w-csdh（プレプリント：arXiv:2506.18978）
- Hackaday “Detecting An Eight Magnetic Pole State Using Chiral Phonons”（2026年11月3日）https://hackaday.com/2026/11/03/detecting-an-eight-magnetic-pole-state-using-chiral-phonons/
コメント