SmB₆（六ホウ化サマリウム）は、電子同士の強い相互作用によって低温で絶縁体になる「近藤絶縁体」と呼ばれる物質です。さらに、物質内部は絶縁体でありながら表面には電気を流す状態が現れるトポロジカル近藤絶縁体の有力候補としても注目されています。Smの4f電子と伝導電子が混成することで低温に小さなエネルギーギャップが形成され、その電子状態が大きく変化します。 

NMRでは、原子核を局所的なセンサーとして物質内部の電子状態を調べることができます。特に、核スピンが平衡状態に戻る速さを表すスピン格子緩和率 1/T1は、低エネルギーの電子励起に敏感です。SmB₆ではこれまでの 11B-NMR研究から、温度を下げるにつれて 1/T1 が減少し、4f電子と伝導電子の混成によるギャップが形成されることが分かっていました。一方、約20 K以下では 1/T1が再び増大する特異な振る舞いが知られていましたが、その起源は十分には分かっていませんでした。 

そこで本研究では、単結晶SmB₆の 11B-NMR測定を行い、得られたT1緩和曲線をベイズ推論によって詳しく解析しました。通常のフィッティングでは、「一つの緩和時間で説明するモデル」「二つの緩和時間をもつモデル」「緩和時間に分布があるモデル」のどれが本当に適切なのかを判断することが難しい場合があります。そこで、それぞれのモデルが実験データをどの程度うまく説明できるかをベイズ自由エネルギーによって定量的に比較しました。 

その結果、高温では一つの1/T1 成分で緩和を説明できますが、約60 K以下では複数の1/T1 成分を含む状態へ変化することが分かりました。この温度領域は、SmB₆で4f電子と伝導電子の混成ギャップが発達する領域と対応しています。そのため、ギャップが試料全体で完全に一様に形成されるのではなく、不均一に発達していることを反映していると考えられます。 

さらに温度を下げると、約20 K以下で1/T1 が再び増加する異常が確認されました。重要なのは、この増加が 1/T1 の分布を考慮した解析を行っても消えなかったことです。したがって、単なるデータ解析上の見かけではなく、SmB₆が本来もつ低温の性質を反映していると考えられます。通常のギャップ形成による電子状態密度の減少だけでは説明できないため、約20 Kを境として、それまでとは異なる新しい核スピン緩和機構が現れることが示唆されました。 

興味深いことに、類似した現象は他のトポロジカル近藤絶縁体候補であるSmSやYbB₁₂でも報告されています。特にYbB₁₂では、核スピン拡散が低温の緩和に関与することが議論されています。ただし、SmB₆でも同じ機構が働いているかはまだ明らかではなく、今後、ホウ素同位体や試料形状を変えた実験による検証が必要です。 

本研究の特徴は、NMRというミクロな実験手法とベイズ統計を組み合わせることで、従来の解析では捉えにくかった電子状態の不均一性を明らかにした点にあります。その結果、SmB₆では約60 K以下で混成ギャップが不均一に発達し、さらに約20 K以下では別の緩和機構が現れるという、二段階の変化が見えてきました。トポロジカル物質の低温電子状態を理解するとともに、実験データから隠れた物理を引き出す解析手法という点でも重要な研究です。

本研究の特徴は、NMRというミクロな実験手法とデータ駆動型解析手法であるベイズ推定を組み合わせることで、従来の解析では捉えにくかった電子状態の不均一性を明らかにした点にあります。その結果、SmB₆では約60 K以下で混成ギャップが不均一に発達し、さらに約20 K以下では別の緩和機構が現れるという、二段階の変化が見えてきました。トポロジカル物質の低温電子状態を理解するとともに、実験データから隠れた物理を引き出す解析手法という点でも重要な研究です。