原子核の周りを回る電子は、空間のどの点で電子が見つかる確率があるかを記述する形状（球体、ダンベル型、クローバー型）を占めている。ほとんどの物質では、これらの軌道はランダムな方向を向いている。しかし、新たに発見された量子状態では、軌道が自発的に周期的なパターンに整列し、鉄原子が磁気的な方向を選ぶのと同じくらい明確に方向を選択する。この発見は、純粋な軌道秩序のこれまでで最も明確な実験的証拠を提供するものであり、『Nature Physics』に掲載された。
この発見は、Tb₂CoAl₄Ge₂（テルビウム、コバルト、アルミニウム、ゲルマニウム）という金属間化合物でなされた。角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、紫外線によって物質から放出される電子のエネルギーと運動量を測定したところ、研究者らは特徴的なバンド構造の指紋を観測した。すなわち、表面のテルビウム原子の5d軌道が秩序だったパターンに配列し、結晶格子の回転対称性を破っていたのである。
「自発的対称性の破れ状態」と表現される軌道秩序は、凝縮系物理学において最も捉えどころのない概念の一つである。
第三の自由度
固体物理学において、電子には電荷、スピン、軌道の三つの基本的な自由度がある。電荷秩序（電子密度の周期的変調）は、電荷密度波などの現象を担っている。スピン秩序は磁性（強磁性、反強磁性、そして近年認識されたアルター磁性）を生み出す。第三の兄弟である軌道秩序は、はるかに孤立させることが困難であった。
その困難はもつれに起因する。ほとんどの物質では、軌道秩序は格子歪み、スピン配置、電荷変調と強く結合している。軌道が秩序化すると、格子がわずかに歪むことがある（ヤーン・テラー効果）。格子が歪むと、スピンを特定の配置に押し込む可能性がある。その結果は、論文の著者らが指摘する「鶏が先か卵が先か問題」であり、どの秩序がどれを駆動しているのかを判別することがしばしば不可能である。
Tb₂CoAl₄Ge₂という化合物はこの問題を回避する。軌道秩序は、格子歪みや磁気転移を伴わずに表面に現れ、単独で研究できるほぼ純粋な軌道秩序の稀な例となっている。
重要性
軌道秩序は、凝縮系物理学における最も不可解な現象のいくつかに理論的に関与していると考えられている。巨大磁気抵抗を示すマンガン酸化物化合物であるマンガナイトでは、軌道秩序が相図の形成に fundamental な役割を果たすと考えられている。鉄系高温超伝導体では、軌道秩序がネマティック相（目に見える構造変化なしに物質の電子特性が方向依存性を持つ状態）の原動力として提案されている。
これまで、軌道秩序を付随する格子効果やスピン効果から分離できなかったため、これらの関連性は理論的なままだった。Tb₂CoAl₄Ge₂の表面は、研究者が軌道物理学に関する予測を単独で検証できるクリーンな実験プラットフォームを提供する。
隠れた秩序への窓
この発見はまた、方法論的進歩を示している。ARPESは数十年にわたって電子バンド構造の研究に使用されてきたが、軌道秩序はARPESスペクトルに独特のシグネチャ（軌道配置の対称性の破れを反映した電子バンドの分裂）を残す。研究者らはこのバンド分裂を分析し、軌道整列のパターンを抽出した。
テルビウムの5d軌道（比較的拡散した外殻軌道）が、注目すべき適切な対象であることが判明した。その空間的広がりにより局所的な電子環境に敏感であり、結晶表面での位置によりバルクからの干渉を受けずにARPESで観測可能である。
この発見は量子材料研究の新たな章を開く。軌道秩序を孤立させることができれば、それを操作することができ、操作できれば、それを利用するように設計された材料に組み込むことが可能になり、量子デバイス設計のツールキットに軌道物理学を加える可能性がある。
雅子 訳
この記事はクリエイティブ・コモンズ 表示 4.0 国際ライセンスの下で利用可能です。Nature Physics に掲載された原著報告を要約したものです。