この研究は、ブラジルのサンパウロ大学（USP）、ロスアラモス国立研究所、ワシントン大学およびその他の米国の機関の科学者によって主導されました。研究チームは、最大 60 テスラの磁場および 0.7 ケルビン (-272.45 °C) に近い温度における電気伝導の実験と詳細な理論計算を組み合わせました。

「この研究は、物質のエキゾチックな相における電子輸送についての理解を広げ、トポロジカル絶縁体が電荷の輸送だけでなく、別の自由度の輸送もサポートしていることを示しています」と、USP物理学研究所(IF)の教授でExLQantumC研究所(ExLQMMEC)の共同創設者兼所長であるフリオ・ラレア・ヒメネス氏は言う。

ラレアは、この研究の筆頭著者であるカウエ・カウフマン・リベイロの博士顧問を務めました。リベイロは、FAPESP Research Internship Abroad の支援を受けて、米国ロスアラモスの国立磁場研究所でのインターンシップ中に実験作業のほとんどを行いました。そこにいる間、彼はジョアンナ・パームストロムとショーン・トーマスから指導を受けました。

2 つの電子 ID を持つマテリアル

トポロジカル絶縁体には珍しい特性があります。内部部品は電気絶縁体として機能しますが、表面は電気を伝導します。この挙動は、結晶の対称性によって保存される電子状態の量子構造の広範な特徴を記述する電子バンド トポロジーから生じます。

ZrTe₅ は、異なるトポロジカル相を分離する境界近くに位置するため、この種の物理学の研究にとって特に価値があります。温度、機械的変形、化学組成、磁場のわずかな変化により、その電子的挙動が大きく変化する可能性があります。この感度がZrTeを作った₅ 固体中のトポロジカル相転移と相対論的準粒子の研究にとって重要な材料。

電子が磁場中を移動すると、その位置エネルギーは一定の範囲を形成しなくなります。量子力学では、ソビエトの物理学者で数学者のレフ・ランダウ（1908～1968年）にちなんで名付けられたランダウ準位として知られる特定のエネルギー値にそれらを制限します。

非常に純粋な金属では、これらのランダウ準位は、占有電子状態と非占有電子状態の間のエネルギー境界であるフェルミ準位を繰り返し通過する可能性があります。いかなる交差も電気抵抗の発振を引き起こす可能性があります。シュブニコフ・デ・ハース振動として知られるこれらの効果は、通常、1/B (B は磁場を表す) の予測できない周期パターンに従います。

消えなかった量子跳躍

研究者らは、ZrTe が₅ 彼らはこのよく知られたパターンに従いませんでした。 1/B における磁気抵抗の変動は従来の周期的ではなく、量子限界をはるかに超えていました。

量子限界の外側では電子は最低のランダウ準位に閉じ込められなければならないため、この結果は驚くべきものでした。したがって、伝統的な期待によれば、見慣れた振動は消えるはずです。

「トポロジカル相転移に近い材料では、電子は金属内部の通常の粒子のように停止する可能性があります。その電子励起はディラックフェルミオンに似た準粒子、つまり相対論的粒子のように振る舞います。私たちの研究では、間磁場を適用すると、これらの準粒子のスピンが中心的な役割を果たすことを示しました。その結果、通常は系の対応するエネルギーから逸脱するランダウ準位が「戻ってきて」、この異常な動作が起こる可能性があります。それは私たちが凹角ランダウ面と呼んでいるものです。」

この効果を説明するために、研究者らはランダウ曲面の「折り畳み」として知られるプロセスを提案している。磁場が増加すると、単純な直線でエネルギーが変化するのではなく、ランダウ準位の一部がフェルミ準位に戻り、再びフェルミ準位を横切る可能性があります。これらの更新された遷移は、従来の理論では振動はすでに消滅しているはずであると予測される領域でさらなる振動を引き起こします。

電子スピンがイメージを変える

この異常な動作は、2 つの異なる物理的効果の相互作用によって引き起こされます。それらの 1 つは、磁場を通る電子の軌道運動によって生成されるサイクロトロン エネルギーです。もう 1 つはゼーマン効果で、磁場と電子のスピンの結合を説明します。

ZrTeなどの材質では₅スピン軌道相互作用が強い場合、これら 2 つの寄与を独立して考慮することはできません。電子スピンと軌道運動は、磁場の変化に応じてランダウ表面のエネルギーが非線形に変化するように結合されています。

研究の主な目的は、考えられる 2 つのメカニズムのうちどちらが異常な振動の原因であるかを特定することでした。 1 つの可能性には、複数の電子間の集団相互作用によって引き起こされる多体効果が含まれます。材料の電子構造に関連するその他の内部トポロジー特性。

研究者らは、サンプル内で観察された挙動を説明するのに複数の電子相互作用は必要ないと判断した。代わりに、3 次元ディラック ハミルトニアンに基づき、強力なスピン軌道結合を含む単一粒子モデルで実験モードを再現することができました。

「私たちが見たのは、その効果は多体相互作用からではなく、電子バンドの異常なトポロジーから来ているということです」とラレア氏は結論づけています。

ZrTeにおける矛盾する結果の排除₅

この発見は、ZrTeの実験を巡る長年にわたる論争に光を当てるのにも役立つかもしれない₅。同じ物質の異なるサンプルは、明らかに異なる種類の量子振動を生成しました。

一部のサンプルは、1/B で周期的な正常振動を示します。 1/B で周期的ではない振動を示すものもあります。他のものは、B に対数周期性を持つように見える信号を生成します。

新しい結果によると、これらの違いは個別の物理的説明を必要としない可能性があります。代わりに、これらの挙動はすべて同じ電子ディラック構造から生じる可能性があり、その結果は主に各サンプルのキャリア密度とフェルミ準位のサイズによって決まります。

「ここで調査したようなキャリア密度が低いサンプルでは、​​ゼーマン効果とサイクロトロン効果を実験的にアクセス可能な磁場で比較できます。これはランダウ準位への再突入に寄与し、異常な振動が目に見えます。キャリア密度が高いサンプルでは、​​従来の項とその周期は 1/B を表します」と Larrea 氏は説明します。

2 つの回転チャネルが干渉する

研究者らはまた、スピン分離状態に関連する量子振動への 2 つの異なる寄与を特定しました。これら 2 つの寄与は有効質量が異なるため、相互に干渉する可能性があります。

この干渉は、測定における別の予期せぬ特徴を説明するのに役立ちます。従来のリフシッツ・コーセビッチモデルによれば、温度が上昇すると、量子振動の振幅は規則的に減少するはずです。その代わりに、研究者らは特定の温度範囲で振動振幅の極小値を観察しました。

この結果は、2 つの電子チャネルが標準的な方法で単純にフェードアウトするのではなく、互いに干渉していることを示しています。

角度磁気抵抗測定により、材料に関する追加情報が得られました。低磁場下では、フェルミ面は三次元でほぼ楕円体であるように見えました。

研究者らは、キャリア密度が約 10 と非常に低いと推定しました。¹⁶ 立方センチメートルあたり。この値は ZrTe と一致します₅ トポロジカル相転移の非常に近くに位置します。

極限条件下での材料の試験

実験はロスアラモスにある国立磁場研究所で行われた。この研究所は、1ケルビン未満の温度で最大60テスラのパルス磁場を組み合わせることができる世界でも数少ない施設の1つである。

「この種の実践は、世界中で数か所でしか実施できません。これらの施設へのアクセスは競争が激しいのです」とラレア氏は指摘する。

この発見は、異常な量子振動自体を説明するだけでなく、ZrTe を使用する根拠を強化します。₅ 物質の追加のトポロジカル相を研究するためのプラットフォームとして。

研究者らは、対称性、キャリア密度、機械的応力、温度、磁場などの要素を注意深く調整すると、さらにエキゾチックな電子状態を作り出すことができると示唆しています。これらには、ワイル準粒子を含む相が含まれる場合があります。

ラレア氏は、「私たちの実験は、これまで論争に包まれていたプロセスの最初の実験的実証を提供した」と結論づけた。

この研究は、ラレアに授与された若手研究者助成金を通じて FAPESP からも支援されました。追加の資金は、ロスアラモス国立研究所、国立磁場研究所、国立科学財団、米国エネルギー省などの米国の機関から提供されています。