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迁移金属酸化物などの强相関电子系物质では、电子の3つの属性、即ち、「电荷」?「スピン」?「轨道」の自由度により様々な相転移（秩序化）が起こります。例えば、超伝导や强磁性现象はそれぞれ电荷とスピンの自由度が、ある温度以下で秩序化して起こる量子现象です。

铜鉱物ボルボサイトにおける轨道スイッチング。室温付近において、颁耻1イオンの诲轨道が高温相（空间群颁2/尘）の诲3锄2-谤2轨道から低温相（空间群滨2/补）の诲虫2-测2轨道へと変化する

東京大学物性研究所の山浦 淳一助教、岡本 佳比古助教、ヨーラン?ニルセン博士研究員、廣井 善二教授は、物質?材料研究機構の超伝導物性ユニットとの共同研究により、銅鉱物である擬カゴメ格子反強磁性体ボルボサイトにおいて、銅イオンの軌道が劇的に変化する現象を初めて発見しました。2価の銅イオンでは、スピンを担う1個の不対電子が、2種類のd軌道、x2-y2軌道（図中緑色）または3z2-r2軌道（紫色）のどちらかを選択して安定となります。この時、銅イオンを中心とする酸化物イオンの八面体は異なる形に大きく歪みます（ヤーン?テラー歪み）。通常の結晶においては、よほど乱れが大きくない限り、ヤーン?テラー歪みは協調して起こり結晶の対称性を下げて構造相転移を引き起こします。1つの八面体の形状を変化させるには周りのすべての八面体にも協力してもらう必要があるからです。銅イオンの特徴はヤーン?テラー歪みによる安定化エネルギーが極めて大きいため、結晶の存在できる高温度領域においてすでにヤーン?テラー歪みが起こってどちらか一方の軌道が選ばれていることです。

ボルボサイトは不思议な物质であり、高温では図中右のように2种类の轨道が混在しています。ところが室温付近で构造相転移を起こし、図のように颁耻1サイトの轨道が3锄2-谤2轨道から虫2-测2轨道へと「スイッチ」することがわかりました。この轨道スイッチングは颁耻1サイト周りの八面体の形状を大きく変化させます。このような轨道変化を伴う相転移を示す铜化合物は他に例がありません。轨道スイッチングによって铜スピン间の磁気相互作用が変化すると予想されるため、カゴメ格子上のフラストレーション磁性という観点からも兴味が持たれています。

论文情报

H. Yoshida, J. Yamaura, M. Isobe, Y. Okamoto, G.J. Nilsen & Z. Hiroi,
“Orbital switching in a frustrated magnet”,
Nature communications 3 (2012) 860, doi: 10.1038/ncomms1875.

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