一見単調な黒い結晶の中で、物理学者は、電子が自由に流れる金属の特性と、電子が効果的に所定の位置に固定されている絶縁体の特性との間の境界線をあいまいにしているように見える不可解な挙動に出くわしました。水晶は両方の特徴を同時に示しています。
「これは大きなショックです」とケンブリッジ大学の凝縮物質物理学者であるスチトラ・セバスチャンは述べ、彼の発見はジャーナル Science の先行オンライン版に本日掲載されました。 .絶縁体と金属は本質的に正反対だと彼女は言った。 「でもなんとなく、両方を兼ね備えた素材ですね。私たちが知っていることすべてに反しています。」
この物質は、六ホウ化サマリウムまたは SmB6 と呼ばれる、よく研究されている化合物です。 、非常に低い温度では絶縁体であり、電気の流れに抵抗します。その抵抗は、電子 (電流の構成要素) がどの方向にも原子の幅を超えて結晶内を移動できないことを意味します。それでも、セバスチャンと彼女の共同研究者は、電子が磁場に反応して結晶内の直径数百万個の原子の軌道を横切ることを観察しました。これは、電気を伝導する材料でのみ期待される移動度です。有名な量子力学の波動と粒子の二重性を思い起こさせる新しい証拠は、SmB6 を示唆している セバスチャンは、教科書の金属でも絶縁体でもないかもしれないが、「私たちが想像する方法がわからない、より複雑なもの」であると述べた.
「これはまさに壮大なパラドックスです」と、オランダのライデン大学の凝縮系理論家である Jan Zaanen は述べています。 「確立された知恵に基づいて、これはあり得ないことであり、今後はまったく新しい物理学が機能するはずです。」
この「新しい物理学」が何に役立つかを判断するのは時期尚早ですが、メリーランド大学カレッジパーク校のビクター・ガリツキーのような物理学者は、それを見つける努力をする価値は十分にあると述べています。 「多くの場合、超伝導のように、大きな発見は本当に不可解なものです」と彼は言いました。この現象は 1911 年に発見され、理解するのに半世紀近くかかりました、 そして現在、スイスの大型ハドロン衝突型加速器の 17 マイルのトンネルで粒子を加速する磁石など、世界で最も強力な磁石を生成しています。
理論家たちは、SmB6 の内部で何が起こっているのかについて、推測を試み始めています。 .有望なアプローチの 1 つは、この物質を高次元のブラック ホールとしてモデル化することです。しかし、その全容を捉える理論はまだありません。 「現時点で、信頼できる仮説はほとんどないと思います」と Zaanen 氏は述べています。
SMB6 ソ連の科学者が 1960 年代初頭にその特性を最初に研究し、その後、ベル研究所でよりよく知られた実験が行われて以来、分類に抵抗してきました.
サマリウム原子核とホウ素原子核を取り囲む軌道殻の電子数を数え上げると、サマリウム原子核ごとに、平均して約半分の電子が残されていることがわかります電子）。これらの「伝導電子」は、パイプを通って流れる水のように物質を通って流れるはずであり、したがって、SmB6 金属である必要があります。 「1975 年頃、私が若い頃にこの問題に取り組み始めたとき、人々はこの考えを持っていました」と、ミシガン大学 (アナーバー) の実験物理学者で、SmB6 を研究している Jim Allen は言いました。 それ以来、オンとオフを繰り返しています。
しかし、六ホウ化サマリウムは室温では電気を通しませんが、冷めると変になります。結晶は、物理学者が「強相関」物質と呼んでいるものです。その電子は互いの影響を鋭く感じ、それらを一緒にロックして、緊急の集団的行動を引き起こします。 SmB6 、電子は冷却されると固まり、材料は絶縁体として振る舞います.
この効果は、平均して 5.5 個の電子が、各サマリウム原子核を包み込む不快なほどきつい殻を占めていることに起因します。これらの密接に結びついた電子は相互に反発し合い、「それは本質的に電子に『動かないでください』と伝えます」とアレンは説明しました。これらの殻のそれぞれに閉じ込められた最後の半分の電子は、もう一方の自由で伝導性の半分と複雑な関係にあります。摂氏マイナス 223 度以下では、SmB6 の伝導電子が これらのトラップされた電子と「混成」し、サマリウム核の周りに新しい混成軌道を形成すると考えられています。専門家は当初、この混成軌道では電子が移動できないため、結晶が絶縁体になると考えていました。
「抵抗率は、それが絶縁体であることを示しています。光電子放出は、それが優れた絶縁体であることを示しています。光吸収は、それが優れた絶縁体であることを示しています。中性子散乱は、それが絶縁体であることを示しています」と、ミシガン大学の凝縮物質物理学者で、SmB6 も研究している実験グループである Lu Li 氏は述べています。 .
しかし、これは一般的な断熱材ではありません。その絶縁挙動は、その電子間の強い相関関係から生じるだけでなく、過去 5 年間に、それが低温で「トポロジカル絶縁体」であり、3 次元を通る電気の流れに抵抗する材料であることを示唆する証拠が増えてきました。バルクでありながら、その二次元表面に沿って電気を伝導します。トポロジカル絶縁体は、量子コンピューターやその他の新しいデバイスでの使用の可能性があるため、2007 年の発見以来、凝縮物質物理学で最もホットなトピックの 1 つになりました。それでも、SmB6
昨年初め、SmB6 という証拠を追加することを期待して はトポロジカル絶縁体であり、セバスチャンと彼女の学生であるベン・タンは、ニューメキシコ州のロスアラモス国立研究所にある国立高磁場研究所 (MagLab) を訪れ、結晶サンプルの電気抵抗における「量子振動」と呼ばれる波状のうねりを測定しようとしました。量子振動の速度と、サンプルが回転するにつれてそれらがどのように変化するかを使用して、結晶の「フェルミ面」をマッピングできます。これは、「電子が材料をどのように流れるかの幾何学のようなものです」という特徴的な特性です。
しかし、セバスチャンとタンは、ニューメキシコで量子振動をまったく見ませんでした。 Tan の博士課程のプロジェクトを救おうと急いで、彼らは代わりにあまり興味のない特性を測定し、これらの結果を確認するために、フロリダ州タラハシーにある別の MagLab の場所で時間を予約しました。
フロリダで、セバスチャンとタンは、測定プローブに、飛び込み台スタイルのカンチレバーが付いた追加のスロットがあり、結晶の磁化の量子振動を測定するために使用できることに気付きました。 電気抵抗に量子振動が見られなかった後、別の材料特性でそれらを探す予定はありませんでしたが、なぜでしょうか? 「私は考えていた、よし、サンプルを貼り付けよう」とセバスチャンは言った.彼らはサンプルを冷却し、磁場をオンにして測定を開始しました。突然、彼らは飛び込み台からの信号が発振していることに気付きました.
「私たちは、待って、何？」彼女は言った。
その実験と MagLab でのその後の実験で、彼らは結晶サンプルの奥深くで量子振動を測定しました。データは巨大な 3 次元フェルミ面に変換され、伝導電子が金属内で行うように、磁場の存在下で材料全体を循環する電子を表します。そのフェルミ面から判断すると、SmB6 の内部の電子 その電気抵抗が可能であると示唆するよりも 100 万倍遠くまで移動します。
「フェルミ面は銅のようなものです。それは銀のようです。それは金のようなものです」と、そのグループが Science で表面レベルの量子振動を報告した Li は言いました。 12月中。 「単なる金属ではありません…これらは非常に優れた金属です。」
どういうわけか、低温で磁場が存在すると、SmB6 の強い相関電子が 電気を通すことはできませんが、最も伝導性の高い金属のように動くことができます。結晶が金属と絶縁体の両方のように振る舞うにはどうすればよいでしょうか?
別の驚くべき発見がなければ、サンプルの汚染はありそうに見えるかもしれません:Sebastian、Tan、および彼らの共同研究者は、絶縁体で量子振動を発見しただけでなく、振動の形、つまり、温度が低下するにつれて振幅がどれだけ速く成長するかを発見しました。 — 従来の金属の普遍的な式の予測とは大きくかけ離れていました。これまでにテストされたすべての金属は、この Lifshitz-Kosevich 式 (Arnold Kosevich と Evgeny Lifshitz にちなんで名付けられた) に適合しており、SmB6 の量子振動が まったく新しい物理現象から来ています。 「もしそれが何か些細なこと、例えば他の材料を含むものから来ていたとしたら、それはリフシッツ・コセビッチの公式に従っていただろう」とガリツキは言った. 「ですから、これは本当の効果だと思います。」
驚くべきことに、Lifshitz-Kosevich 式からの観測された偏差は、2010 年にハーバード大学の Sean Hartnoll と Diego Hofman によって、強く相関する物質を高次元のブラック ホール、つまり空間内の無限に急勾配の曲線として再構築した論文で予言されました。アルバート・アインシュタインが予言した時間. Hartnoll と Hofman はその論文で、より単純なブラック ホール モデルの対応する特性を計算することにより、金属の強い相関関係の影響を調査しました。具体的には、電子がブラック ホールに落ちる前にどれくらいの時間、ブラック ホールを周回できるかを計算しました。 -よりエキゾチックな金属でのコセビッチ式」と、現在スタンフォード大学にいるハートノールは言いました. 「実際、[セバスチャン] が見つけた形は、私が導き出したこの式と一致するようです。」
この一般化された Lifshitz-Kosevich 式は、従来の金属を含む物質の金属のような状態のクラスに適用される、と Hartnoll は言う。ただし、SmB6 であっても この「一般化された金属」クラスの別のメンバーですが、これはまだそれが絶縁体として機能する理由を説明していません.他の理論家は、より伝統的な数学的機械で材料をモデル化しようとしています。その電子は、新しい量子様式で絶縁状態と伝導状態の間を急速に変動している可能性があると言う人もいます.
理論家たちは理論化に忙しく、Li と彼の共同研究者たちは、SmB6 の独自のサンプルを使って Sebastian の結果を再現しようと準備を進めています。 .フロリダでの偶然の発見は、最初の一歩に過ぎませんでした。パラドックスを解決しましょう。
