物理学者がボソンからなる珍しい物質を発見

2023 年 6 月 7 日

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カリフォルニア大学サンタバーバラ校、ソニア・フェルナンデス著

格子 (窓網戸や蜂の巣など、均一なセルのグリッドの平らな部分) を用意し、その上に別の同様の格子を置きます。 ただし、両方の格子のエッジやセルを揃えようとするのではなく、上のグリッドにひねりを加えて、下のグリッドの一部が透けて見えるようにします。 この新しい 3 番目のパターンはモアレであり、この種の二セレン化タングステンと二硫化タングステンの格子の重なり合う配置の間にあり、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学者は興味深い物質の挙動を発見しました。

「私たちは物質の新しい状態、つまりボソン相関絶縁体を発見しました」と、UCSBの物性物理学者チェンハオ・ジン氏のグループの大学院生研究者であり、サイエンス誌に掲載された論文の筆頭著者であるリチェン・シオン氏は語った。

シオン氏、ジン氏、そしてUCSB、アリゾナ州立大学、日本の国立物質・材料研究機構の共同研究者らによると、このような材料（励起子と呼ばれるボソン粒子の高度に規則正しい結晶）が「現実」で作成されたのはこれが初めてだという。 （合成とは対照的に）物質系。

「従来、人々は多くのフェルミ粒子を組み合わせると何が起こるかを理解することにほとんどの努力を費やしてきました」とジン氏は言う。 「私たちの研究の主な目的は、基本的に相互作用するボソンから新しい物質を作るということです。」

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。 最大の違いの一つは彼らの行動にある、とジン氏は言う。

「ボソンは同じエネルギー準位を占めることができますが、フェルミオン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ています。」と彼は言いました。

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、フォトン（光の粒子）などのボソンは、一瞬であるか相互に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がかりは、それらの異なる量子力学的特性にあるとXiong氏は説明した。 フェルミオンは 1/2 や 3/2 などの半整数の「スピン」を持ちますが、ボソンは全整数のスピン (1、2 など) を持ちます。 励起子とは、負に帯電した電子 (フェルミオン) が正に帯電した反対側の「正孔」 (別のフェルミオン) に結合し、2 つの半整数スピンが合わせて整数になり、ボソン粒子を形成する状態です。

系内で励起子を生成して特定するために、研究者らは「ポンププローブ分光法」と呼ぶ方法で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す」とジン氏は語った。 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、ボーソンを高度な秩序状態に導く相関関係が発見されたということです」とシオン氏は付け加えた。 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、それが超伝導のようなものをもたらします」とXiong氏は述べた。 「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あります。そこで私たちがやったのはプラットフォームを作成することです。なぜなら、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るが、励起子を相互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なかった、と同氏は付け加えた。

ジン氏によると、彼らの方法を使えば、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た凝縮物質の世界へのさらに多くの窓を開くことができる可能性があるという。

「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」と彼は言う。 「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、これらの挙動をより確実に発現させる方法を見つけることです。」

詳しくは： Richen Xiong 他、WSe 2 /WS 2 モアレ超格子における励起子の相関絶縁体、Science (2023)。 DOI: 10.1126/science.add5574

雑誌情報:科学

カリフォルニア大学サンタバーバラ校提供