量子物質：電子スピンを初めて測定

2023 年 6 月 9 日

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ボローニャ大学による

国際研究チームは、新しい種類の量子材料である「カゴメ材料」内で、物質中の電子スピン、つまり電子が存在し移動する空間の曲率の測定に初めて成功した。

Nature Physics に掲載された得られた結果は、将来の量子材料の研究方法に革命をもたらし、再生可能エネルギーから生物医学、エレクトロニクスから医療まで、さまざまな技術分野での応用の可能性を伴う量子技術の新たな発展への扉を開く可能性があります。量子コンピューター。

成功は科学者の国際協力によって達成されました。この協力には、ボローニャ大学の物理学天文学部教授「アウグスト・リーギ」のドメニコ・ディ・サンテ氏がマリー・キュリーBITMAP研究プロジェクトの一環として参加しました。 CNR-IOM トリエステ、ヴェニスのカフォスカリ大学、ミラノ大学、ヴュルツブルク大学 (ドイツ)、セント アンドリュース大学 (英国)、ボストン カレッジ、サンタバーバラ大学 (米国) の同僚が参加しました。

粒子加速器であるシンクロトロンによって生成された光を使用した高度な実験技術と、物質の挙動をモデル化するための現代技術のおかげで、学者たちはトポロジーの概念に関連する電子スピンを初めて測定することができました。

「サッカーボールとドーナツなどの 2 つの物体を取り上げた場合、たとえばドーナツには穴があり、フットボールには穴がないため、それらの特定の形状が異なるトポロジー特性を決定することに気づきます」とドメニコ ディ サンテは説明します。 「同様に、物質中の電子の挙動は、宇宙の光の軌道が星、ブラックホール、暗黒物質の存在によってどのように変化するかに似て、電子が存在する物質内での回転を決定する特定の量子特性によって影響を受けます。時間と空間を歪める物質と暗黒エネルギー。」

電子のこの特性は長年知られていましたが、これまで誰もこの「トポロジカル スピン」を直接測定できませんでした。 これを達成するために、研究者らは「円二色性」として知られる特定の効果を利用した。これはシンクロトロン光源でのみ使用できる特別な実験技術であり、偏光に応じて異なる光を吸収する材料の能力を利用する。

学者らは特に「カゴメ材料」に注目している。これは量子材料の一種で、その名前の由来は、日本の伝統的な籠（実際には「カゴメ」と呼ばれる）を構成する竹糸を織り交ぜた織り方に似ていることに由来する。 これらの材料は量子物理学に革命をもたらしており、得られた結果は、その特別な磁気特性、トポロジカル特性、および超伝導特性についてさらに学ぶのに役立つ可能性があります。

「これらの重要な結果は、実験の実践と理論的分析の間の強力な相乗効果のおかげで可能になりました」とディ・サンテ氏は付け加えます。 「チームの理論研究者らは、強力なスーパーコンピューターを使用する場合にのみ可能となる高度な量子シミュレーションを採用し、この方法で実験仲間を円二色性効果を測定できる材料の特定の領域に導きました。」

詳しくは： Domenico Di Sante 他、二層カゴメ金属におけるフラット バンド分離とロバストなスピン ベリー曲率、Nature Physics (2023)。 DOI: 10.1038/s41567-023-02053-z

雑誌情報:自然物理学

ボローニャ大学提供