【理研】電子が質量を失って液晶になる物質を発見！

1: チミル ★ 2022/12/07(水) 21:18:48.87 ID:bVPJ8U799

理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター 創発物性計測研究チームのクリストファー・J・バトラー 研究員、幸坂 祐生 上級研究員（研究当時、現創発物性計測研究チーム 客員研究員、京都大学大学院 理学研究科 教授）、花栗 哲郎 チームリーダー、名古屋大学大学院 理学研究科 理学専攻 物理科学領域の山川 洋一 講師、大成 誠一郎 准教授、紺谷 浩 教授らの国際共同研究グループは、バリウムとニッケルの硫化物BaNiS2において、質量を持たない電子（ディラック電子[1]）とあたかも液晶[2]のように振る舞う電子が共存していることを発見しました。

本研究成果は、非常に珍しい電子状態であり、全く新しい物性を実現する舞台として期待できます。

結晶構造が特別な幾何学的対称性[3]を持つ物質や、電子状態がトポロジー[4]的に非自明[5]な物質では、電子の質量がゼロになることがあります。一方、電子間の斥力相互作用（電子相関[6]）が強い遷移金属化合物[7]では、高温超伝導[8]やさまざまな磁性など、非自明で役に立つ現象が観測されます。これらの対称性・トポロジーに立脚した物質の研究と電子相関の研究は、現代物性物理の二大潮流ですが、それぞれの効果が著しい物質は異なっている場合が多く、両者の共存・競合を研究することは困難でした。

今回、国際共同研究グループは、BaNiS2では、質量を失ったディラック電子と電子相関によって生じた液晶のように方向性を持った電子が共存していることを走査型トンネル顕微鏡／分光法（STM/STS）[9]を用いた実験とその理論解析から明らかにしました。これにより、対称性・トポロジーと電子相関が織りなす創発現象探索の扉が開かれたことになります。

本研究は、科学雑誌『Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）』オンライン版（12月2日付）に掲載されました。

結晶構造の対称性を破る電子の液晶（結晶構造の上部は異なるエネルギーでの電子状態像）

 

背景
電子は負の電荷を持ち、原子の中では正の電荷を持った原子核に束縛されて離散的なエネルギーを持ちます。多数の原子が周期的に並んだ固体の中では、一部の電子は原子核の束縛から逃れて結晶全体を動き回るようになりますが、依然として周期的に並んだ原子核からの引力を感じながら運動します。そのため、原子核の配列の仕方、すなわち結晶構造とその幾何学的対称性は、電子状態を決定する重要な要因の一つです。固体内電子が持つエネルギーは大まかに原子のエネルギー準位と対応付けられますが、その順番は必ずしも原子と同じになるとは限りません。これは、電子状態に一種の「ねじれ」が作られることを意味し、数学的にはトポロジーを使って表現できます。

近年、このような対称性やトポロジーが電子状態や物性に与える影響の理解が急速に進み、特定の条件を満たすと、質量がゼロの電子（ディラック電子）や量子計算の基本素子への応用が期待されるマヨラナ準粒子[10]が現れることが分かってきています。

一方、固体内で電子は、原子核に加えて他の電子とも相互作用します。電子間相互作用（電子相関）の問題は、運動する多数の電子を同時に考える必要があるために本質的に多体問題[11]であり、その理解は容易ではありません。しかし、電子相関は、高温超伝導やさまざまな磁性のように、固体を舞台として創発する非自明で有益な現象をもたらすと考えられることから、その研究は非常に重要です。現在、対称性・トポロジーの研究と電子相関の研究は物性物理学研究の二大潮流となっています。

これら、対称性・トポロジーの効果と電子相関の効果を協奏させることができれば、例えば、質量のない電子の超伝導など、全く未知の物性が創発する可能性が高く、非常に魅力的です。しかし、対称性・トポロジーが非自明な物質では電子相関の効果が弱く、電子相関効果が著しくなることの多い遷移金属化合物では対称性・トポロジーが自明[5]なことが多いため、対称性・トポロジーと電子相関の効果が共存できる新しい物質が求められていました。

※引用ここまで。全文は下記よりお願いいたします。
https://www.riken.jp/press/2022/20221207_2/index.html

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引用元: https://asahi.5ch.net/test/read.cgi/newsplus/1670415528/