物理学者が新たなエキゾチックな物質状態を作り出す: ボソン相関絶縁体

励起子と呼ばれるボソン粒子の高度に秩序化された結晶が、合成ではなく実際の物質系で作成されたのはこれが初めてです。シオンら。相関のある絶縁体を観察した

励起子と呼ばれるボソン粒子の高度に秩序化された結晶が、合成ではなく実際の物質系で作成されたのはこれが初めてです。

シオンら。正孔を収容する二セレン化タングステンと電子を収容する二硫化タングステンからなる二重層において、層間励起子の相関絶縁体を観察した。画像クレジット: Xiong et al.、doi: 10.1126/science.add5574。

素粒子は、フェルミ粒子とボソンという 2 つの大まかなタイプのいずれかに分類されます。最大の違いの 1 つは彼らの行動にあります。

ボソンは同じエネルギー準位を占めることができます。フェルミ粒子は一緒にいることを好みません。これらの行動が一緒になって、私たちが知っている宇宙を構築します。

電子などのフェルミ粒子は安定であり、静電力を通じて相互作用するため、私たちが最もよく知っている物質の基礎を成しています。

一方、光子などのボソンは、瞬間的であるか、相互作用しないため、作成または操作がより困難になる傾向があります。

「それらの異なる挙動を知る手掛かりは、それらの異なる量子力学的特性にあります」と、筆頭著者でカリフォルニア大学サンタバーバラ校の大学院生であるリチェン・シオン氏は述べた。

「フェルミ粒子は 1/2 や 3/2 などの半整数のスピンを持ちますが、ボーソンは全整数のスピン (1、2 など) を持ちます。」

「励起子とは、マイナスに帯電した電子（フェルミオン）が、プラスに帯電した反対側の正孔（別のフェルミオン）に結合している状態で、2つの半整数スピンが一緒になって整数となり、ボソン粒子を形成します。」

Xiongらは、系内で励起子を生成して同定するために、ポンププローブ分光法と呼ばれる方法で2つの格子を重ね、強い光を照射した。

各格子からの粒子（二硫化タングステンからの電子と二セレン化タングステンからの正孔）と光の組み合わせにより、研究者がこれらの粒子の挙動を調査できるようにしながら、励起子の形成と励起子間の相互作用に好ましい環境が生み出されました。

「そして、これらの励起子がある密度に達すると、それ以上動くことができなくなりました」と、主著者でカリフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学者チェンハオ・ジン博士は述べた。

強い相互作用のおかげで、特定の密度でのこれらの粒子の集合的挙動により、それらの粒子は強制的に結晶状態になり、その不動性による断熱効果が生じます。

「ここで何が起こったかというと、ボソンを高度に秩序化した状態に追い込む相関関係が発見されたということです」とシオン氏は語った。

一般に、超低温下ではボーソンの緩やかな集合体が凝縮体を形成しますが、この系では軽く、比較的高温での密度と相互作用の増加により、それらは対称的な固体で電荷中性の絶縁体に組織化されました。

このエキゾチックな物質状態の生成は、研究者のモアレプラットフォームとポンププローブ分光法がボソン物質の生成と研究のための重要な手段となる可能性があることを証明しています。

「フェルミ粒子には多体相があり、それが超伝導などをもたらします」とXiong氏は説明した。

「同様にエキゾチック相であるボソンを含む多体対応物も存在します。」

「そこで私たちが行ったのはプラットフォームの作成でした。実際の物質でボソンを研究する優れた方法がなかったからです。」

「励起子はよく研究されていますが、励起子を互いに強く相互作用させる方法はこのプロジェクトまで存在していませんでした。」

研究チームの手法を使えば、励起子のようなよく知られたボソン粒子を研究できるだけでなく、新しいボソン材料を使って凝縮物質の世界へのさらなる窓を開くことも可能になるかもしれない。

「一部の材料には非常に奇妙な特性があることがわかっています」とジン博士は言う。

「そして、物性物理学の 1 つの目標は、物性がこのような豊富な特性を持っている理由を理解し、これらの動作をより確実に実現する方法を見つけることです。」

この研究はサイエンス誌に掲載されました。

ニュース