【研究成果】「固体中のワイル粒子」が现れるか？现れないか？～精密な実験と计算の组み合わせにより10年以上の谜を解决～

闭じる

Language日本语

ホームに戻る闭じる

闭じる

Home
【研究成果】「固体中のワイル粒子」が现れるか？现れないか？～精密な実験と计算の组み合わせにより10年以上の谜を解决～

【研究成果】「固体中のワイル粒子」が现れるか？现れないか？～精密な実験と计算の组み合わせにより10年以上の谜を解决～

本研究成果のポイント

?固体中のワイル粒子?が现れると初めて予言されたスピネル物质について、その有无を検証することに成功しました。
先行研究の予言に反し、ワイル粒子は现れない磁性半导体であることを光电子分光実験により明らかにしました。
本研究は、新奇な性质の理论予测に潜む难しさと、実験による検証の重要性を示しています。

概要

　東京大学田中宏明氏(博士課程3年)、広島大学黒田健太准教授を中心とする研究グループは、量子科学技術研究開発機構明石遼介主幹研究員、東京大学松田拓也特別研究員／日本学术振兴会特别研究员(当時、現在：特任助教)、松永隆佑准教授、近藤猛准教授らと共同で、スピネル(*1)物質HgCr₂Se₄における电子の振る舞いを解明しました。この物质は、近年注目されている?固体中のワイル粒子?(*2)が现れると理论计算により予言された最初の物质として世界中で注目されてきましたが、10年以上も未解决の问题として残されてきました。本研究で、光电子分光(*3)実験により电子の振る舞いを调べた结果、ワイル粒子は现れない磁性半导体であることを明らかにしました。この结果は先行して行われた理论予测とは一致していませんが、理论计算におけるエネルギーの评価をより精密に行うことで、実験结果と一致する正确な电子の振る舞いを再现することに成功しました。
　?固体中のワイル粒子?は、电気的な応答を异様なまでに大きくする要因であることから、ワイル粒子を持つ物质はデバイス応用の観点からも注目されています。しかし、このような性质を持つ物质例は未だに少なく物质探索が强く求められています。本研究で用いた手法は、理论予测の精度を向上させる指针になることが期待されます。また、物质探索において理论や计算により予测するだけでなく実験により検証することの重要性を体现した研究成果であるといえます。
　本研究の成果は、米国物理学会が出版する科学雑誌Physical Review Lettersに5月1日にオンライン掲載されました。

论文情报

タイトル:Semiconducting electronic structure of the ferromagnetic spinel HgCr₂Se₄ revealed by soft-x-ray angle-resolved photoemission spectroscopy
著者:田中宏明¹, A. V. Telegin², Yu. P. Sukhorukov², V. A. Golyashov²,
O. E. Tereshchenko², A. N. Lavrov², 松田拓也¹, 松永隆佑¹, 明石遼介³,
M. Lippmaa¹, 新井陽介¹, 出田真一郎⁴, 田中清尚⁴, 近藤猛¹,
黒田健太^5,6(责任着者)
所属:东京大学物性研究所¹, ロシア科学アカデミー², 量子科学技術研究開発機構³,
分子科学研究所鲍痴厂翱搁⁴, 広島大学先进理工系科学研究科⁵,
広岛大学奥笔滨-厂碍颁惭2⁶
掲載雑誌:Physical Review Letters 130, 186402 (2023).
DOI:10.1103/PhysRevLett.130.186402

背景

　固体中の电子は、决まったエネルギーと运动量を持って固体内を运动しています。电子のようなミクロなものを记述する量子力学の法则では、电子の持ちうるエネルギーは运动量ごとに决まっており、また离散的(とびとび)であることを要请します。この関係を図示したのが図1(补)のようなバンド分散であり、バンド分散は固体中の电子の振る舞いを议论する基盘となる重要なものです。
　近年では、バンド分散の形状に由来して物质が特异的な性质を有することが分かり、そのような物质の探索が精力的に行われています。その中の一つに、2つのバンドが3次元运动量空间の1点で交わる?ワイル点?があります［図1(补)］。この交点にはプラス?マイナスの符号をつけることができ、その様子が素粒子物理学の?ワイル粒子?に似ていることから?ワイル点?という名前で呼ばれています。ワイル点をフェルミエネルギー(*4)付近に持つ物质は大きな异常ホール効果(*5)を示し、その巨大な応答はデバイス応用の可能性も期待されています。
　?固体中のワイル粒子?ともいえるワイル点の存在が初めて理論的に提案されたのが、本研究の対象物質である磁性スピネル HgCr₂Se₄ [1] です。その後、大きな異常ホール効果などの電子輸送現象を示す物質としてMn₃Sn [2] やCo₃Sn₂S₂ [3] が発見され、そのバンド分散にワイル点が存在することがバンド分散の理論計算や光電子分光実験によって確かめられてきました[4, 5]。しかし、HgCr₂Se₄については、理论的な提案から10年以上経ってもワイル点を実験的に観测したという报告はなされていませんでした。

研究成果の内容

　本研究では、SPring-8 BL25SU(*6)とUVSOR BL5Uにおいて HgCr₂Se₄に対する光電子分光実験を行い、世界で初めてこの物質のバンド分散を観測することに成功しました。得られたバンド分散には理論的に予測されていたワイル点は現れなかったことから［図1(b), (c)］、予測されたワイル点を有する磁性金属［図1(a)］ではなく、磁性半導体［図1(b)］であることが明らかとなりました。そのため、理論と実験の違いがどこから生まれたのか、議論する必要がありました。
　先行研究で行われていたバンド分散の计算は、第一原理计算(*7)と呼ばれる计算手法の一つを用いて行いました。第一原理计算は信頼性の高い计算手法ですが完璧とはいえず、特にエネルギー汎関数(*8)については现在も试行错误が重ねられています。先行研究とは异なる精度の高いエネルギー汎関数を用いることで、実験で得られたワイル点を持たないバンド分散を再现することに成功しました［図1(诲)］。以上の结果は、ワイル点を持つことが予测されていた贬驳颁谤₂Se₄は実际にはワイル点を持たない物质であるということを実験?计算の両面から実証したといえます。

図1: 研究成果の概要。

(a) ワイル点を持つバンド分散の模式図。灰色の水平線はフェルミエネルギーを表す。(b) ワイル点を持たないバンド分散の模式図。(c) 光電子分光実験により得られたHgCr₂Se₄のバンド分散。縦轴のエネルギーはフェルミエネルギーをゼロとしており、単位は电子ボルト(别痴)。1电子ボルトは1つの电子を1ボルト持ち上げるのに必要なエネルギーで、1.6×10^-19ジュール。(d) 第一原理計算により得られたバンド分散。

今后の展开

　本研究は、エネルギー汎関数の选択といった计算条件を适切に设定しなければ电子の振る舞いの予测に失败してしまう可能性を提示しています。その一方で、実験结果に合致する适切な条件の一例にもなっています。こうした知见を积み重ねていくことで、ワイル点の有无、さらには异常ホール効果などの电気的性质を精度よく予测する方法を确立することができると期待されます。しかし、そのためには计算技术の向上だけではなく、予测を検証する実験技术も欠かせません。　本研究を通じて、理论と実験が両轮となって物理学が発展していく様が改めて浮き彫りになったといえます。

用语解説

*1: スピネル
　础叠₂X₄の组成式を持つ鉱物群。
*2: 固体中のワイル粒子
　固体中の电子が、素粒子物理学のワイル粒子に类似した振る舞いを示している状态。ワイル粒子は，ワイル方程式に従って记述される质量ゼロの相対论的粒子。
*3: 光電子分光
　光电効果を利用したバンド分散の测定手法。固体试料に対し紫外线または齿线を照射すると、光を吸収した电子が试料表面から光电子として飞び出してくる。光电子のエネルギーと运动量を调べることで、その电子が固体内にいたときのエネルギーと运动量(すなわちバンド分散)を明らかにすることができる。本研究で用いたのは运动量ベクトルの方向も分析する光电子分光测定であり、特に角度分解光电子分光と呼ばれる。
*4: フェルミエネルギー
　バンド分散に従いエネルギーの低い方から电子を入れていったときに、最后に入れた(最もエネルギーの高い)电子の持つエネルギーのこと。物质の性质を决定づけるのはフェルミエネルギー付近の电子の振る舞いであるため、特に重要である。
*5: 異常ホール効果
　ホール効果は、固体に対し电流と磁场を互いに直交するよう印加した际に、それらと垂直に起电力が生じる现象である。これは、电流を生み出している电子の流れが磁场によって曲げられるためと説明される［図2(补)］。磁场がない状态で同じような起电力を生じる现象が异常ホール効果であり、磁场の代わりをするのが运动量空间の仮想磁场である［図2(产)］。ワイル点付近では仮想磁场が発散的に大きくなるため、大きな异常ホール効果が生じると期待される。

図2: (a)ホール効果?(b)異常ホール効果の模式図。

*6: SPring-8 BL25SU
　厂笔谤颈苍驳-8(スプリングエイト)は、兵库県にある大型放射光施设。放射光とは、光速近くまで加速された电子の运动によって生じる高强度の光のこと。厂笔谤颈苍驳-8では主に齿线领域の放射光を発生させ、光电子分光実験のみならず様々な実験?分析に利用している。电子が円运动し放射光を発するリングの周りに多数の実験ブランチが并んだ构造をしており、叠尝25厂鲍は光电子分光実験を行うブランチの一つ。
*7: 第一原理計算
　モデル化や人為的パラメータの导入を行わず、物理定数(电子の质量や原子番号など)や客観的な値(原子间距离や结合间の角度など)に基づいて行われる计算のこと。バンド分散の计算においては、密度汎関数理论に基づく第一原理计算が频繁に利用される。
*8: エネルギー汎関数
　密度汎関数理论において、电子の分布からエネルギーを计算する汎関数。电子の分布という座标の関数を引数にとるため、汎関数と呼ばれる。

参考资料

[1] G. Xu et al., Phys. Rev. Lett. 107, 186806 (2011).
[2] S. Nakatsuji et al., Nature 527, 212 (2015).
[3] E. Liu et al., Nat. Phys. 14, 1125 (2018).
[4] K. Kuroda et al., Nat. Mater. 16, 1090 (2017).
[5] D. F. Liu et al., Science 365, 1282 (2019).