珍しい物質の発見: 物理学者がボーソンで構成される物質に遭遇

カリフォルニア大学サンタバーバラ校 2023年6月11日

科学者たちは、励起子と呼ばれるボソン粒子の相互作用を通じて、「ボソン相関絶縁体」と呼ばれる新しい物質の状態を発見しました。 この研究は、物性物理学の新たな理解と新しいボソン物質の創造への道を開く可能性があります。

研究者らは、「ボソン相関絶縁体」と呼ばれる、ボソン粒子、特に励起子の結晶集合体である新しい物質の状態を発見した。

格子 (窓網戸や蜂の巣など、均一なセルのグリッドの平らな部分) を用意し、その上に別の同様の格子を置きます。 ただし、両方の格子のエッジやセルを揃えようとするのではなく、上のグリッドにひねりを加えて、下のグリッドの一部が透けて見えるようにします。 この新しい 3 番目のパターンはモアレであり、この種の二セレン化タングステンと二硫化タングステンの格子の重なり合う配置の間にあり、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学者は興味深い物質の挙動を発見しました。

「私たちは物質の新しい状態、つまりボソン相関絶縁体を発見しました」と、UCSBの物性物理学者チェンハオ・ジン氏のグループの大学院生研究者であり、サイエンス誌に掲載された論文の筆頭著者であるリチェン・シオン氏は語った。 シオン氏、ジン氏、およびUCSB、アリゾナ州立大学、日本の国立材料科学研究所の共同研究者らによると、このような材料が（合成ではなく）「本物の」物質系で作成されたのはこれが初めてだという。 このユニークな材料は、励起子と呼ばれるボソン粒子の高度に秩序化された結晶です。

「従来、人々は多くのフェルミオンを組み合わせると何が起こるかを理解することにほとんどの努力を費やしてきました」とジン氏は言う。 「私たちの研究の主な目的は、基本的に相互作用するボソンから新しい物質を作るということです。」

2 つを重ねて 1 つをわずかにオフセットすると、モアレと呼ばれる新しいパターンが作成されます。 クレジット: マット・パーコ

素粒子は、フェルミ粒子とボソンという 2 つの大まかなタイプのいずれかに分類されます。 最大の違いの一つは彼らの行動にある、とジン氏は言う。

「ボソンは同じエネルギー準位を占めることができます。 フェルミ粒子は一緒にいることを好みません。これらの行動が一緒になって、私たちが知っている宇宙を構築しています。」

電子などのフェルミ粒子は安定であり、静電力を通じて相互作用するため、私たちが最もよく知っている物質の基礎を成しています。 一方、フォトン（光の粒子）などのボソンは、一瞬であるか互いに相互作用しないため、作成または操作がより困難になる傾向があります。

それらの異なる挙動を知る手がかりは、それらの異なる量子力学的特性にあるとXiong氏は説明した。 フェルミオンは 1/2 や 3/2 などの半整数の「スピン」を持ちますが、ボソンは整数の全スピン (1、2 など) を持ちます。 励起子とは、負に帯電した電子 (フェルミオン) が正に帯電した反対側の「正孔」 (別のフェルミオン) に結合し、2 つの半整数スピンが合わせて整数になり、ボソン粒子を形成する状態です。

Jin Lab、左から右へ: Tian Xie、Richen Xiong、Chenhao Jin、Samuel L. Brantly。 クレジットソニア・フェルナンデス

系内で励起子を生成して特定するために、研究者らは「ポンププローブ分光法」と呼ぶ方法で2つの格子を重ね、強い光を照射した。 各格子からの粒子（二硫化タングステンからの電子と二セレン化タングステンからの正孔）と光の組み合わせにより、研究者がこれらの粒子の挙動を調査できるようにしながら、励起子の形成と励起子間の相互作用に好ましい環境が生み出されました。

「そして、これらの励起子がある密度に達すると、それ以上動くことができなくなります」とジン氏は語った。 強い相互作用のおかげで、特定の密度でのこれらの粒子の集合的挙動により、それらの粒子は強制的に結晶状態になり、その不動性による断熱効果が生じます。

「ここで何が起こったかというと、ボーソンを高度に秩序化した状態に追い込む相関関係が発見されたということです」とシオン氏は付け加えた。 一般に、超低温下ではボーソンの緩やかな集合体が凝縮体を形成しますが、この系では軽く、比較的高温での密度と相互作用の増加により、それらは対称的な固体で電荷中性の絶縁体に組織化されました。