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マサチューセッツ工科大学(MIT)の研究者らが、3次元結晶内に電子を閉じ込めることに成功するという画期的な成果を発表した。この重要なマイルストーンは、3次元結晶の化学構造をわずかに調整することにより、超伝導材料を開発する機会を与えるものである。

導体内では、電子はそのエネルギーを利用して周囲を移動する。しかし、いったん捕捉されると、これらの電子は均一なエネルギー準位に落ち着き、集合体として振る舞うようになる。この状態は電子の“フラットバンド”と呼ばれており、電子がこの状態にあるとき、他の電子の量子効果を感じ始め、協調的で量子的な振る舞いをするようになると予測している。この状態から、電子の動きを妨げない超伝導のような現象が生じるのである。

これまで、2次元材料において、電子フラットバンド状態を実現することは成功していたが、これは電子が3次元を通して逃げてしまい、維持することが困難であることが分かっていた。

そこで、MITの物理学准教授であるJoseph Checkelsky氏が率いる研究チームは、3次元材料を用いれば、3次元すべてで電子を捕捉することができ、フラットバンド状態を実現できる可能性があると考えた。

Checkelsky准教授らは、日本の籠編み芸術である「かごめ」の織り模様に似た原子の配列を持った結晶を合成し、結晶に電子を閉じ込めることに成功した。3次元材料において電子のフラットバンド状態を達成したのはこれが初めてである。そして研究者らによれば、化学的な操作によって、この結晶を超伝導体(抵抗ゼロで電気を通す物質)に変えることができるとのことだ。。

3D trap
(Credit: MIT)

研究者らによると、このフラットバンド状態は、上記の様な特異な3次元形状に原子を並べさえすれば、事実上どのような原子の組み合わせでも実現できるという。

「この形状から平坦なバンドを作ることができることがわかったので、新技術のプラットフォームとなるような新しい物理状態を持つかもしれない他の構造を研究する大きな動機ができました」と、この研究の著者であるCheckelsky准教授は言う。

二次元材料に電子を閉じ込めようとするこれまでの試みが成功しなかったのはなぜか?

これまで、2次元物質内に電子を閉じ込める試みは度々試みられてきたが、その全てが失敗に終わっている。その主な障害の理由は、閉じ込められた電子がしばしば3次元を通して脱出する方法を見つけ、フラットバンド状態の維持を妨げてしまうからだ。

そこで、MITの物理学准教授であるJoseph Checkelsky氏が率いる研究チームは、3次元材料を用いれば、3次元すべてで電子を捕捉することができ、フラットバンド状態を実現できる可能性があると考えた。以前の研究で、研究チームは、かごめ模様に似た原子の2次元格子に閉じ込められた電子を観測した。その結果、原子が三角形の角を共有するようなパターンで配置されている場合、電子は格子をホッピングするのではなく、三角形と三角形の間の六角形の空間内に閉じ込められた。しかし、他の研究者と同様に、電子は3次元を通って格子の上や外に逃げることができることがわかった。

そこで、Checkelsky氏は同じような格子を3次元的に配置すれば、電子を閉じ込めることができるのではないかと考えた。研究チームは、物質構造のデータベースからその答えを探し、一般にパイロクロア(対称性の高い原子形状を持つ鉱物の一種)に分類される、ある幾何学的な原子配置に行き当たった。パイロクロアの原子の3次元構造は、立方体の繰り返しパターンを形成しており、それぞれの立方体の面はカゴメのような格子に似ていた。理論的には、この形状が各立方体内に電子を効果的に閉じ込めることを発見した。

3次元での電子トラップに成功

仮説を検証するため、研究チームはカルシウムとニッケルを使ってパイロクロアを合成した。材料を非常に高温に加熱した後、混ぜ合わせたものを冷やすと、原子がカゴメのような構造に整列した。

「自然界で結晶を作る方法と似ています。ある元素(この場合はカルシウムとニッケル)を一緒にして、非常に高い温度で溶かし、冷やすと、原子が勝手に配列して、カゴメのような結晶の形になるのです」と、Checkelsky氏は説明する。

電子がフラットバンドになったかどうかを確認するため、研究チームは次に光電子放出実験を行った。光子を1個試料に当てて電子を1個追い出し、検出器でそのエネルギーを測定した。

これまでの光電子放出実験は2次元材料で行われていたが、研究チームは3次元材料を扱っているため、今度は波形の3次元景観における電子のエネルギーを測定する必要があった。

これを解決するため、研究チームは角度分解光電子分光法(ARPES)を用いた。超集光ビームを凹凸のある3次元表面の特定の位置に照射し、約30分間、数千個の電子を測定した。実験の結果、電子は同じエネルギーを持ち、フラットバンド状態に達していることが確認された。

さらなる実験では、ニッケルをロジウムとルテニウムに置き換えた。そうすることで、結晶形状は保たれるが、電子エネルギーがゼロにシフトし、超伝導が発現すると研究チームは計算していた。新しく合成された結晶は、研究チームが期待したとおりの挙動を示した。

Checkelsky氏の同僚で物理学教授のRiccardo Comin氏は、「これは、新しく興味深い量子物質を見つける方法を考えるための新しいパラダイムを提示するものです。ここから先の課題は、フラットバンド材料の将来性を達成するために最適化することであり、より高い温度で超伝導を維持できる可能性があります」と、述べている。


論文

参考文献

研究の要旨

電子フラットバンド材料は、運動エネルギーが抑制された量子状態を持つ。このようなフラットバンドは、しばしば電子相関効果の増強や物質の量子相の創発に寄与する。長い間、理論モデルで研究されてきたこの系は、ファンデルワールスヘテロ構造や準2次元(2D)結晶材料で実験的に実現されて以来、再び注目を集めている。未解決の実験的疑問は、このような平坦なバンドが3次元(3D)ネットワークで実現できるかどうかであり、新しい材料プラットフォームや現象を可能にする可能性がある。ここでは、C15ラーベス相金属CaNi2について調べる。CaNi2は、モデルネットワークレベルで、電子ホッピングの3次元破壊干渉から生じる二重に縮退したトポロジカルフラットバンドをホストすると予測されるニッケルパイロクロア格子を含む。角度分解光電子分光を用いて、パイロクロアフラットバンドと同定された3次元ブリルアンゾーン全体にわたって分散が消失するバンドと、Ni d電子の多軌道干渉から生じる2つのフラットバンドを観測した。さらに、電子相関の増強や超伝導の発現と一致するフェルミ準位に対するフラットバンド多様体の化学的同調を示す。固有バンド平坦性の概念を2次元から3次元に拡張することで、調整可能なトポロジカルから分数化相に至るまで、より高次元の平坦バンド系で予測される相関的振る舞いへの潜在的な道筋を提供する。

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