粉末状のhBNを押し固め配向をもたせたのち、800度で3日間真空中で熱処理したものを基盤として用いた。等温蒸気圧測定からT＝55Kで層状成長することを示すステップを確認した。結晶性のよいモノレイヤー結晶を得るため、吸着した後、融解転移および磁気転移点で十分アニールしながら冷却した試料を用い、x線回折および帯磁率測定を行った。

　高輝度放射光を光源とし、従来からのシンチレーションカウンタ、最近の高分解能のイメージングプレートをディテクターに用いることによりモノレイヤー結晶のx線回折スペクトルを得た。

　帯磁率はSQUID磁束計を用い零磁場冷却後温度上昇過程と磁場中冷却過程とで0.5Tの外部磁場で温度依存性を測定した。磁化過程も同時に測定した。

　図1に(被覆率、温度)相図を示す。

　被覆率Cは酸素分子が×構造をとるときC＝1と定義する。被覆率に応じて2つのモノレイヤー結晶,高密度相と低密度相を観測した。グラファイト基盤のときと同様x線回折の結果から相は基盤表面に分子軸が平行である面心長方格子をとり、相は基盤表面に分子軸が垂直である三角格子をとることがわかった。最も低密度では相と2次元ガスの共存相で、相の融解転移は一定温度25.5Kで起こる。1.0C1.7では相の単一相であり密度の増加とともに融解温度が上昇する。特筆することは低温で相が現れることである。相はグラファイト基盤の場合には見られずこのシステムに特有のものである。-転移は被覆率の増加とともに転移点が20Kから27Kへと上昇する。さらに被覆率を増加させた 2.2C3.6では高密度モノレイヤー相の単一相で11.9Kで磁気格子相互作用により低温で反強磁性秩序相(相)に転移する。1.7C2.2では低密度相である相と高密度相である相の共存相が存在する。C3.6ではバルク相が共存する。

　相と相のx線回折スペクトルはともに面心長方格子の(02)(11)に対応する反射で高波数側に裾を引くワーレン型のピークが観測された。C＝1.3での結晶格子は相でa＝3.41A,b＝7.66A、相ではa＝3.22A,b＝7.91Aである。酸素分子間の交換エネルギーJは分子間距離に大きく依存し、分子間距離から見積もったJの値は相で最近接J_nnは27.5K.相で12.5Kである。- 転移で 相では最近接距離が一次元方向に縮む。その結果次近接Jの最近接Jとの比が0.01となり、擬一次元構造が実現していると考えられる。図2に相の結晶構造をしめす。

図表図1:相図 / 図2:相の結晶構造

　一方、相の結晶構造は、ピーク強度の考察から分子の向きは互いに平行ではなくヘリングボーンになっていると考えられ、-転移は分子の回転を伴った構造変化がある。

　図3にC＝1.2での帯磁率の温度依存性を示す。

　帯磁率は転移点以下で、指数関数的に急激に減少し、従来の反強磁性体の平均場理論やスピン波理論では説明できない。結晶構造によって決定した分子間距離から相では磁気的に擬一次元構造をとることと、S＝1であることから相はハルデン相であることが期待される。

図3:帯磁率の温度依存性

　相での磁化は磁場にほぼ比例するが、わずかではあるが 下に凸である。これは常磁性に見られる振る舞いとは異なる。相がのハルデン相であると考えれば磁場による第一励起状態である3重項状態との重なりとも解釈でき、帯磁率の温度依存性の結果と一致する。ただし磁化過程からはネール秩序によるスピンフロップ転移の前兆の可能性を否定できない。

　また帯磁率の温度依存性を磁場の大きさを変えながら測定すると相での帯磁率は高磁場で零磁場冷却過程と磁場中冷却過程で異なり、磁場中冷却過程では大きな値をとる。これは高磁場の効果で-転移が抑制される結果と考えられる。

　-転移は遅いカイネティクスをもち、相での帯磁率の値は冷却速度に依存する。冷却速度が遅いほど帯磁率は小さい値をとり、クエンチ後の磁化の時間変化は対数に従う。これは川崎による1次元ドメイン成長理論で説明できる。またx線回折実験の結果からT_C以下でもかなりの量の相が残り、x線回折スペクトルの時間変化から相が時間とともに減少することも確認された。

高密度,相

　高密度モノレイヤー結晶の相はグラファイト基盤の場合と同様三角格子をもち格子歪みを伴って低温で反強磁性相である相に転移する事もわかった。

　最近の1次元ハイゼンベルグ鎖の研究からスピン整数の場合一重項基底状態と三重項励起状態の間にエネルギーギャップが開くというハルデンの予想以来、理論的実験的に精力的に研究がなされてきた。ハルデン相の実現には、一次元性とスピンの等方性が重要であることが指摘されてきた。一次元性についていえば、従来から一次元スピン系として調べられてきたCsNiCl₃と同等のJ_nnn/J_nn＝0.01が実現している。CsNiCl₃では鎖間の交換相互作用で3次元オーダーが4.9Kで起こるが、相ではそのような兆候は2K以上では見つかっていない。これは次近接交換相互作用が3次元方向におよばず、面内にとどまることからこれらよりオーダーがおきにくいためとも考えられる。

　スピンの等方性についていえば、酸素モノレイヤーの分子間には、分子の形に起因する異方性と結晶とに起因する異方性がある。しかし、それらは交換相互作用の10%以下であり、相は弱いxy的な異方性をもつハイゼンベルグ的であるとみなせる。よってこれらの異方性はこのけいでは従来の理論やNENPなどの実験結果から見てハルデン相の実現を妨げるほど大きくはないと考えられる。