物質の性質を理解したい場合は、その電子を研究してください。食卓塩は、その原子がその構成で電子を共有するため、立方晶を形成します。銀が輝くのは、その電子が可視光を吸収して再放射するためです。電子の挙動は、硬度、導電率、融解温度など、ほぼすべての材料特性を引き起こします。
最近、物理学者は、膨大な数の電子が集合的な量子力学的挙動を示す方法に興味をそそられています。一部の物質では、結晶内の 1 兆兆個の電子が 1 つのユニットとして機能することができます。これは、ヒアリが洪水を乗り切るために 1 つの塊に集まったように機能します。物理学者は、電気が抵抗なしに流れることができる超伝導などのエキゾチックな特性との潜在的な関連があるため、この集合的な振る舞いを理解したいと考えています。
昨年、2 つの独立した研究グループが、2 次元反強磁性体として知られる結晶を設計しました。この結晶は、電子が集合的にヒッグス粒子を模倣することができます。この挙動を正確に研究することで、研究者は材料を支配する物理法則をよりよく理解し、物質の新しい状態を発見できる可能性があると考えています。研究者がこれらの材料でそのような「ヒッグス モード」を誘発することができたのはこれが初めてでした。オークリッジ国立研究所の物理学者で、同僚のタオ・ホンと共にグループの 1 つを率いたデビッド・アラン・テナントは、「あなたは小さな小さな宇宙を作り出しているのです。」と述べました。
どちらのグループも、材料に中性子を当てることにより、電子をヒッグスのような活動に誘導しました。これらの小さな衝突の間、電子の磁場は、数学的にヒッグス粒子に似たパターンで変動し始めます。
ヒッグス モードは単なる数学的好奇心ではありません。結晶の構造が電子をこのように振る舞わせている場合、その物質は他の興味深い特性を持っている可能性が最も高いと、マックス・プランク固体研究所の物理学者で、他のグループを共同で率いる Bernhard Keimer は述べた。
これは、ヒッグス モードが現れるとき、材料はいわゆる量子相転移の瀬戸際にあるはずだからです。晴れた春の日の雪玉のように、その特性は劇的に変化しようとしています。ヒッグスは、量子相転移の特徴を理解するのに役立つと、ハーバード大学の物理学者である Subir Sachdev は言います。これらの量子効果は、多くの場合、奇妙で新しい材料特性の前兆となります.
たとえば、物理学者は、トポロジカル絶縁体として知られる特定の材料で量子相転移が役割を果たすと考えています。この材料は、内部ではなく表面でのみ電気を伝導します。研究者は、高温超伝導体の量子相転移も観察しましたが、相転移の重要性はまだ不明です。従来の超伝導体は、そのような効果を観察するために絶対零度近くまで冷却する必要がありますが、高温超伝導体は、数十度高い液体窒素の比較的穏やかな条件で動作します。
過去数年間、物理学者は他の超伝導体でヒッグス モードを作成してきましたが、何が起こっているのかを常に正確に理解できるわけではありません。ヒッグス モードの研究に使用される典型的な材料は複雑な結晶構造を持っているため、物理学の理解が難しくなっています。
そのため、カイマーのグループとテナントのグループの両方が、より単純な系でヒッグス モードを誘導することに着手しました。彼らの反強磁性体は、いわゆる 2 次元物質でした。各結晶は 3 次元の塊として存在しますが、それらの塊は、多かれ少なかれ独立して機能する原子の積み重なった 2 次元の層から構築されます。やや逆説的ですが、これらの 2 次元物質でヒッグス モードを誘導することは、実験的に難しい課題です。物理学者はそれができるかどうか確信が持てませんでした.
しかし、成功した実験は、既存の理論ツールを使用してヒッグス モードの進化を説明できることを示しました。カイマーのグループは、ヒッグス モードがヒッグス粒子の挙動と類似していることを発見しました。ラージ ハドロン コライダーのような粒子加速器の内部では、ヒッグス ボソンは光子などの他の粒子に急速に崩壊します。カイマーの反強磁性体では、ヒッグス モードが、ゴールドストーン ボソンと呼ばれる粒子に似た別の集団電子運動に変化します。このグループは、ヒッグス モードが理論的予測に従って進化することを実験的に確認しました。
テナントのグループは、消滅しないヒッグス モードを生成する材料を作る方法を発見しました。その知識は、他の材料で超伝導などの他の量子特性を有効にする方法を決定するのに役立つ可能性があります。 「私たちが理解したいのは、システム内で量子の振る舞いを維持する方法です」と Tennant 氏は述べています。
どちらのグループも、ヒッグス モードを超えることを望んでいます。カイマーは、彼の反強磁性体の量子相転移を実際に観察することを目指していますが、これにはさらに奇妙な現象が伴う可能性があります。 「それはかなり頻繁に起こります」と彼は言いました。 「特定の量子相転移を研究したいのに、別の何かが現れます。」
彼らはまた、ただ探検したいだけです。彼らは、物質のより奇妙な特性がヒッグス モードに関連していると予想していますが、これはまだ想定されていない可能性があります。 「私たちの脳は、量子システムに対する自然な直観を持っていません」とテナントは言いました。 「自然を探索することは驚きに満ちています。なぜなら、私たちが想像もしなかったことがたくさんあるからです。」
