結晶ストライプと量子電子の振る舞い

電子の隠されたパターンは、エキゾチックな量子挙動の手がかりを提供する可能性があります。

理化学研究所の物理学者による予想外の発見は、結晶に隠されたストライプが、科学者が高温超伝導体を含む特定の量子系における電子の不思議な振る舞いを理解するのに役立つ可能性があることを示唆しています。

ほとんどの物質の電子は、互いに非常に弱く相互作用します。 しかし、物理学者は、電子が互いに強く相互作用する物質で興味深い特性を観察することがよくあります。 これらの物質では、電子は集合的に粒子として振る舞うことが多く、「準粒子」を生じさせます。

理化学研究所創発物性科学研究センターのクリストファー・バトラーは、「結晶は、さまざまな基本粒子がそこに住むことを可能にするさまざまな物理法則を持つ代替宇宙のように考えることができます。

バトラーらは、ニッケル原子の層がチェス盤のように正方格子状に配置された結晶を調べました。 個々の電子は小さな質量を持っていますが、この結晶内では質量のない準粒子として現れました。

チームは、走査型トンネル顕微鏡を使用してこの奇妙な効果を調べることに着手しましたが、これは困難であることがわかりました。 クルミ大の顕微鏡は、月の表面に匹敵する低温と超低圧を作り出す部屋いっぱいの装置に囲まれた真空チャンバーの中に収容されています。

「これらの結晶の手付かずの表面を調べるために、地質学者が行うのと同じように、小さなフレークを切り離そうとします」とバトラーは言います。 「しかし、これは真空中で行う必要があり、これらの結晶は非常にもろく、爆発して粉塵になりがちです。」

何度も試みた後、彼らは成功し、顕微鏡を使用して、レコードプレーヤーのような小さな針でフレークをスキャンし、電圧をかけました。 電圧を変化させることで、さまざまな機能を調べることができました。

チームは、ニッケル原子がチェス盤のような配列で配置されていることを確認しました。 しかし驚いたことに、電子はこのパターンを崩し、代わりにストライプ状に整列していました (図 1)。 これはネマチックと呼ばれ、システム内の相互作用により、電子が下にある材料よりも対称性が低くなります。

バトラーは、この発見を池のそばに立って小石を投げ込むことになぞらえています。 「円形のさざなみが見られると予想されるので、さざなみが平行に並んでいるのを見れば、何か奇妙なことが起こっていることがわかります」と彼は言います。 「それには説明が必要です。」

このような実験は、物理学者が、高温超伝導体など、多くの粒子相互作用を伴う量子系の挙動について提案されたさまざまな理論をテストするのに役立ちます。 たとえば、これらの新しい結果は、研究の共著者によって提案された「密度波」フレームワークを使用して行われた予測と一致しています。[{” attribute=””>Nagoya University in Japan.

The behavior of many interacting electrons is hard to predict even with supercomputers,” says Butler. “But at least we can observe what they are doing under a microscope.”

Reference: “Correlation-driven electronic nematicity in the Dirac semimetal BaNiS₂” by Christopher John Butler, Yuhki Kohsaka, Youichi Yamakawa, Mohammad Saeed Bahramy, Seiichiro Onari, Hiroshi Kontani, Tetsuo Hanaguri and Shinichi Shamoto, 2 December 2022, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2212730119