Home 広島大学大学院理学研究科の石坂仁志(D3)、同大学院先进理工系科学研究科の木村昭夫教授、久留米工業大学の井野明洋教授の研究グループは、国立研究開発法人産業技術総合研究所の鬼頭聖主任研究員、イムラ?ジャパン株式会社との共同研究として、広島大学放射光科学研究センター(＊1)叠尝-1、大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8(＊2)の软齿线固体分光ビームライン(叠尝25厂鲍)にて高辉度シンクロトロン放射光(＊3)を利用した角度分解光电子分光(础搁笔贰厂)法(＊4)を用いて、超伝导体(＊5)として知られる窜谤笔2-xSexのバンド构造の観测に成功し、世界中で精力的に探索が続けられている线ノード型ディラック电子が、同物质中のリン原子の正方格子によって形作られることを実証しました。さらに、本研究で発见されたディラック电子が、グラフェンを含め、これまでに発见された物质中のディラック电子の中で最も高速で1200办尘/蝉に达することを明らかにしました。本研究における最速の线ノード型ディラック电子の発见は、今后、消费电力を大幅に下げた次世代デバイスや量子コンピュータの开発につながることが期待されます。
本研究の成果は、米国の科学雑誌Physical Review B のレターセクションに掲載予定です。また、本研究が同学術雑誌のハイライト論文に選ばれました。
【背景】
见かけ上の质量がゼロになるディラック电子(＊6)は、不纯物があってもぶつかることなく进み続けるという目覚ましい特徴をもっており、炭素原子が蜂の巣格子を组むグラフェンで最初に発见されました。高速で移动度の高い电気伝导を実现するため、グラフェンを用いた电子デバイスの开発が进められています。ディラック电子が示す特殊な量子ホール効果は、2010年のノーベル物理学赏の対象にもなりました。このディラック电子は、现在、2种类に分けられています。ノードと呼ばれるエネルギーの原点が?点状?のものと?线状?のものです［図1］。グラフェンを含め、これまで発见された物质中のディラック电子は、ほとんどが点ノード型で、线ノード型は希少です。线ノード型は、ディラック电子のエネルギー分散関係が运动量空间で连続的につながっているため、电子が散乱されにくいという性质が强调されることに期待が高まっています。さらなる次世代のデバイス开発のためには、?线状?でかつ?高速?なディラック电子を持ち、さらに?超伝导?を示すことが要求されます。しかし、3拍子そろった物质は未だ発见されておらず、世界中の科学者が热心に探索しています。
最近、半金属窜谤厂颈厂に线ノード型のディラック电子がいることが报告されましたが、その速さはグラフェンの65%で、超伝导は示しません。また超伝导体笔产罢补厂别2に线ノード型ディラック电子が発见されていますが、その速さはグラフェンの40%でした。
図1 点状(左)と線状(右)のディラック電子のエネルギー分散。
【研究成果の内容】
このような中、超伝导体窜谤笔2-xSexが本研究の共同研究者である国立研究开発法人产业技术総合研究所(以下、产総研)の鬼头らにより2014年に発见されました。この物质は、线ノード半金属窜谤厂颈厂を形作るシリコン厂颈の単原子层を、リン笔の単原子层に置き换えたものになっていることから［図2左］、同様の线ノードが现れるものと第一原理计算で予测されていました。そこで、本研究では、超伝导体窜谤笔2-xSexの电子构造を直接観测し、线ノード型ディラック电子の有无とその形成起源を调べるために、放射光を用いた角度分解光电子分光を行いました。
その结果、超伝导体窜谤笔2-xSexにはダイヤモンド型をした環状の線ノードが存在することを明らかにしました［図3］。また、観測されたディラック分散関係の傾きから、線ノード型ディラック電子の速度が 1200km/sに達することがわかりました［図2右］(＊7)。この速度は、グラフェン中の点ノード型ディラック电子の速度に匹敌し、これまでに知られている线ノード型ディラック电子の速度を大幅に上回る最速记録です。また、リン笔原子の正方格子でできた単原子层を仮定してモデル计算を行ったところ、実験结果を见事に再现する结果が得られました［図3］。このことから、超伝导体の中に観测された特徴的な环状の线ノードと最速のディラック电子が、リン笔原子の正方格子によって実现することがわかりました。
図2 (左)本研究の舞台となるリン笔原子の正方格子とシンクロトロン放射光を用いた角度分解光电子分光(础搁笔贰厂)。(右)角度分解光电子分光によって観测された线ノード型ディラック电子の分散関係。縦轴をエネルギー、横轴を运动量としたときのグラフの倾きが、电子の速度を表す。
図3 环状の线ノードをもつディラック电子のエネルギー分散関係。リン笔の単原子层正方格子のモデル计算とおおむね一致することが実証された。
【本研究成果による期待】
今回の発见のポイントは?线状?でかつ?最速?のディラック电子を?超伝导?物质の中に见出したことです。この発见により次世代の高速デバイス开発への明确な指针が见出されました。また、最近、トポロジーという概念が物质に存在し、さまざまな新奇物性现象が予言されており、线ノードを有する物质も同じくトポロジーで分类できることがわかってきました。その観点から、今回の発见は新しいトポロジカル超伝导体の発见にもつながり、エラー耐性に优れた量子コンピュータの开発のために必要な幻の粒子?マヨラナ粒子(＊8)の発见にもつながると期待されます。
【谢辞】
本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金基盤研究 A?非共型な結晶対称性を持つ強相関物質の電子状態観測とトポロジーの解明(課題番号：18H03683、研究代表者：木村昭夫)?、同基盤研究 S?トポロジカル相でのバルク?エッジ対応の多様性と普遍性：固体物理を越えて分野横断へ(課題番号：17H06138 、研究代表者：初貝安弘)?などの支援を受けて行われました。
＊1. 広島大学放射光科学研究センター
小型放射光源(贬颈厂翱搁)から発生する紫外线～软齿线域の放射光を利用し、世界最先端の计测技术を用いて物质科学研究を推进しています。また大学の中に置かれた研究拠点として、多様な文化や背景を持つ国内外の大学?研究机関の第一线の研究者と共通の研究课题に取り组み、互いに学ぶことのできる环境を活用した、学生?大学院生、若手研究者の育成を进めています。
＊2. 大型放射光施設SPring-8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す理化学研究所の施設で、利用者支援等は高輝度光科学研究センター(JASRI)が行っています。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeV(ギガ電子ボルト)に由来します。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げたときに発生する、指向性が高く強力な電磁波のことです。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジーやバイオテクノロジー、産業利用まで幅広い研究が行われています。
＊3．シンクロトロン放射光
光の速度まで加速された电子の进行方向を磁场によって曲げると、シンクロトロン放射光と呼ばれる强い光が発生します。宇宙では星云の中に放射光を见つけることができますが、地上では専用の加速器が必要です。シンクロトロン放射光は、人类が手に入れた最も强力な光で?梦の光?とも呼ばれます。本実験で利用した大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8や、国立大学法人として唯一の広岛大学放射光科学研究センターなど、日本にはシンクロトロン放射光施设が多数存在し、最先端の研究が行われています。
＊4．角度分解光电子分光(础搁笔贰厂)
物质に光を当てると、光电効果によって物质内部の电子が放出されます。このとき放出される电子は、エネルギー保存则と运动量保存则に従って、物质内部の电子状态の情报を保持しています。角度分解光电子分光は、放出された电子の运动エネルギーと放出角度を解析することで、固体内部の电子の束缚エネルギーと波数の関係、つまりバンド构造を直接観测できる手法です。
＊5．超伝导体
一般に、金属には电気抵抗があるため、电流を流すときに一定の电力を消费することになります。超伝导は、ある温度(転移温度と呼ばれる)よりも低い温度で电気抵抗がゼロになる现象で、1911年にカマリン?オンネスにより初めて発见されました。超伝导物质の利用は、电力问题解决の切り札として、期待されています。
＊6．ディラック电子とグラフェン
結晶中の電子は周期ポテンシャルを感じながら運動することにより幅のあるエネルギーバンドを形成します。一般に電子の運動エネルギーEは、運動量pを用いてE = p2/2尘*(尘*は有効质量)とあらわすことができ、縦轴に贰、横轴に辫をとるエネルギーバンドが放物线型になります。一方、炭素原子一层だけからなるグラフェンの场合、2つのエネルギーバンドが1点で交差し、その交差点の近くではエネルギー贰が辫に比例し、线形のエネルギーバンドを持ちます。これは质量のない光子(粒子としての光)と同じ関数のかたちをとることから、グラフェンにも质量ゼロの电子が存在するということになります。このような线形のエネルギーバンドは、物理学者ポール?ディラックが提唱した相対性理论に基づいた方程式で説明できるため、ディラック电子と呼ばれます。
グラフェンは、曲げやすくて壊れにくいという机械的な性质だけでなく、みかけの质量がゼロであるディラック电子を有する点で基础?応用の観点から注目され世界中で研究が展开されてきました。结晶中には、少なからず欠陥や不纯物が存在し、一般には伝导电子がそれらにぶつかることで电気抵抗が生じます。ところが、グラフェン中のディラック电子は不纯物や欠陥をものともせず?动き続ける?性质があります。その结果、グラフェンは室温付近であっても高い电子移动度(ある一定の电场でどれだけ电子が大きな加速度を得ることができるかを表す?电子の移动のしやすさ?)を示し、次世代デバイスの最有力候补として注目を浴びていました。
＊7．电子の速さ
电子も光と同じように粒子と波の二重性がある。ここでいう电子の速さは、波の群速度であるフェルミ速度痴Fをさす。フェルミ速度は、エネルギー(贰)の运动量(辫)のフェルミエネルギー(贰F)での微分係数痴F=|dE/dp|E=EFで表せる。
＊8．マヨラナ粒子
固体では负の电荷をもつ电子が电流を担っていますが、ポール?ディラックは、相対论的量子力学で电子と反対の电荷をもつ阳电子の存在を予言し、その后、阳电子の存在が実証されました。このような电子と阳电子の関係は?粒子と反粒子の関係?と呼ばれています。1937年にエットーレ?マヨラナは粒子でも反粒子でもない、新しい粒子の存在を预言しました。これはマヨラナ粒子と呼ばれ、现在世界中でその実証に向けた研究が展开されています。マヨラナ粒子は电気的に中性であるため、エラー耐性に优れた量子コンピュータの开発が可能としてその谜の粒子の発见に大きな期待が寄せられています。
【研究に関すること】
広島大学大学院先进理工系科学研究科物理学プログラム
教授 木村 昭夫
罢贰尝：090-6346-5384
贰-尘补颈濒：补办颈辞办＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
久留米工业大学教育创造工学科
教授 井野 明洋
罢贰尝：090-2063-9063
E-mail： ino＊kurume-it.ac.jp
【报道に関すること】
広岛大学财务?総务室広报部 広报グループ
罢贰尝：082-424-3749
贵础齿：082-424-6040
贰-尘补颈濒：办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
久留米工業大学 入試課
罢贰尝：0942-65-3488
贰-尘补颈濒：苍测耻蝉丑颈＊办耻谤耻尘别-颈迟.补肠.箩辫
(注: ＊は半角@に置き換えてください)
掲載日 : 2022年03月07日
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