何でもありの「アニオン」が驚くべき量子実験の根源にあるかもしれない |マサチューセッツ工科大学ニュース

昨年、2 つの異なる材料で行われた 2 つの別々の実験では、超電導と磁性の共存という同じ混乱のシナリオが捉えられました。科学者たちは、これら 2 つの量子状態は相互に排他的であると想定していました。一方の存在は本質的に他方を破壊するはずです。

さて、MIT の理論物理学者は、このジキルとハイドの二重性がどのようにして現れるのかを説明しています。で 今日掲載される論文 米国科学アカデミーの議事録研究チームは、特定の条件下では、磁性材料の電子がそれ自体の一部に分裂して「アニオン」として知られる準粒子を形成する可能性があると提案しています。特定の部分では、通常の電子が対になって従来の超伝導体内を流れるのと同様に、準粒子は摩擦なしで一緒に流れるはずです。

もしチームのシナリオが正しければ、まったく新しい形態の超伝導が導入されることになる。それは磁気の存在下でも持続し、日常の電子ではなくエキゾチックな存在の超電流が関与する超伝導である。

「勝利を宣言するまでには、さらに多くの実験が必要です」と、研究主著者であるマサチューセッツ工科大学の物理学教授、ウィリアム＆エマ・ロジャース教授センティル・トダドリ氏は言う。 「しかし、この理論は非常に有望であり、超電導現象が新たな方法で発生する可能性があることを示しています。」

さらに、超伝導エニオンのアイデアが他の材料で確認および制御できれば、安定した量子ビット、つまり量子力学的に相互作用して情報を処理し、従来のコンピュータービットよりもはるかに効率的に複雑な計算を実行する原子スケールの「ビット」を設計する新しい方法が提供される可能性があります。

「これらの理論的なアイデアがうまくいけば、この夢は手の届く小さな一歩となるでしょう」とトダドリ氏は言う。

この研究の共著者は、MIT物理学大学院生のZhengyan Darius Shi氏です。

「何でもありです」

超伝導と磁性は電子の振る舞いから生じる巨視的な状態です。原子構造内の電子がほぼ同じスピンまたは軌道運動をしており、材料全体の中に磁場の形で集団的な引力が生じている場合、その材料は磁石です。通過する電子が電圧の形で「クーパー対」で結合できる場合、その材料は超伝導体になります。このチームアップした状態では、電子は原子格子にランダムに衝突するのではなく、摩擦なしで物質中を滑ることができます。

何十年もの間、超電導と磁性は共存すべきではないと考えられていました。超伝導はデリケートな状態であり、磁場によってクーパー対間の結合が簡単に切断されてしまいます。しかし今年初め、2つの別々の実験でそうではないことが証明された。で 最初の実験MITのLong Juらは、菱面体晶グラフェン（4つまたは5つのグラフェン層からなる合成材料）に超伝導性と磁性を発見した。

「衝撃的でした」と、ジュ氏がカンファレンスで結果を発表したのを聞いたときのことを思い出すトダドリ氏は言う。 「それはその場所を生き生きとしたものにしました。そして、それがどのようにして可能なのかというさらなる疑問を引き起こしました。」

そのすぐ後に、第 2 チームが二テルル化モリブデン (MoTe) 半導体結晶における同様の二重状態を報告しました。₂）。興味深いのは、MoTe が成立する条件です。₂ 超伝導になるということは、その材料がエキゾチックな「分数量子異常ホール効果」（FQAH）を示す条件と同じであることが起こります。これは、材料を通過する電子がそれ自体の一部に分裂する現象です。これらの分数準粒子は「アニオン」として知られています。

アニオンは、宇宙を構成する 2 つの主要なタイプの粒子、ボソンとフェルミオンとはまったく異なります。ボソンは外向的な粒子タイプであり、一緒にいて群れで移動することを好みます。光子はボソンの典型的な例です。対照的に、フェルミオンは自分自身を保つことを好み、近すぎると互いに反発します。電子、陽子、中性子はフェルミ粒子の例です。ボソンとフェルミオンを合わせて、3 次元宇宙の物質を構成する 2 つの主要な粒子界です。

対照的に、Anyon は 2 次元空間にのみ存在します。この 3 番目のタイプの粒子は 1980 年代に初めて予測され、その名前は MIT のフランク ウィルチェックによって造られました。彼は、粒子の挙動に関しては「何でもあり」という考えを皮肉った意味でこの名前を付けました。

アノンが最初に予測されてから数年後、ロバート ラフリン博士 (’79) やウィルチェクなどの物理学者も、磁気の存在下では準粒子は超伝導できるはずだと理論化しました。

「人々は、あらゆるものを超電導させるには通常磁性が必要であることを知っていて、多くの超電導材料に磁性を求めました」とトダドリ氏は言う。 「しかし、通常、超電導と磁性は同時に発生しません。そこで彼らはその考えを捨てたのです。」

しかし、最近の発見により、両国は実際、特定の材料やMoTeにおいて平和的に共存できることが判明した。₂ 特にトダドリ氏はこう疑問に思った：古い理論と超伝導体が関係している可能性はあるのだろうか？

フラストレーションを乗り越える

Todadri と Shi は、彼ら自身の最近の研究に基づいて、その質問に理論的に答えようとしました。研究チームは新しい研究で、超伝導エニオンが二次元物質内に出現する条件を解明した。そうするために、彼らは量子場の理論の方程式を適用しました。これは、個々のエニオンのレベルなどの量子スケールでの相互作用がどのようにして超伝導などの巨視的な量子状態を引き起こすことができるかを説明します。この訓練は直感的なものではなかった。なぜなら、人間は超電導どころか、一緒に動くことにも頑固に抵抗することが知られているからである。

「システム内にエニオンがいる場合、各エニオンが移動しようとする可能性がありますが、他のエニオンの存在によってイライラすることが起こります」とトダドリ氏は説明します。 「このフラストレーションは、アニオン同士が非常に離れている場合でも発生します。そして、それは純粋に量子力学的効果です。」

それでもチームは、誰もがこのフラストレーションから抜け出して、一つの巨視的な流体として動けるような条件を探した。アニオンは、MoTe2 などの二次元の単一原子の薄さの材料において、特定の条件下で電子がそれ自体の一部に分裂するときに形成されます。科学者らは、MoTe2 が外部磁場の助けを借りずに電子が細分化される FQAH を示すことを以前に観察していました。

Todadri と Shi は、理論的研究の出発点として MoTe2 を採用しました。彼らは、MoTe2 で FQAH 現象が現れる条件をモデル化し、理論的に材料内の電子の数を増やす際に電子がどのように分裂し、どのような種類のアニオンが生成されるかを調べました。

彼らは、材料の電子密度に応じて、電子の 1/3 または 2/3 の電荷を持つ 2 種類のアニオンが形成される可能性があることに注目しました。次に、彼らは量子場の理論の方程式を適用して、2 つのタイプのエニオンのどちらかがどのように相互作用するかを解明したところ、エニオンの大部分が 1/3 フレーバーである場合、予想通りフラストレーションが発生し、その動きが通常の金属伝導につながることがわかりました。しかし、エニオンのほとんどが 2/3 フレーバーである場合、この特定の割合は、電子が対になって従来の超電導体内を流れるのと同じように、通常はずんぐりしているエニオンを集団で移動させて超電導体を形成するよう促します。

「こうした人は誰でもフラストレーションから抜け出して、摩擦なく動けるようになります」とトダドリ氏は言う。 「驚くべきことに、これは超伝導体が形成されるメカニズムとは全く異なるものですが、その方法は他の系におけるクーパー対と言えるのです。」

彼らの研究により、特定の電子密度で超伝導エニオンが出現する可能性があることが明らかになりました。さらに、超伝導エニオンが最初に出現するとき、物質全体のランダムな場所に自然発生的に現れる渦巻く超電流のまったく新しいパターンで出現することを発見しました。この挙動は従来の超伝導体とは異なり、実験者がチームの理論を確認する方法として探すことができるエキゾチックな状態です。彼らの理論が正しければ、エニオンの量子相互作用を通じて新しい形の超伝導が導入されることになる。

「我々のanyonベースの説明がMoTeで起こっていることだとしたら、₂「これは、『非イオン量子物質』と呼ばれる新しい種類の量子物質の研究への扉を開きます。」とトダドリ氏は言い、「これは量子物理学の新たな章となるでしょう。」と述べています。

この研究は、国立科学財団によって部分的に支援されました。