物理学者が67年前に予測した「悪魔」がネイチャー誌に登場:「偽の」高温超伝導体で偶然発見

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67年前に物理学界が予言した「悪魔」が出現した！

でも慌てないでください。この悪魔はあの悪魔ではありませんし、子供（犬の頭）を食べたりもしません。

これは、1956 年に理論物理学者のデイビッド・パインズが行った予測に由来しています。

固体金属では、通常は質量と電荷を持つ電子が結合して、光と相互作用しない質量がなく電気的に中性の複合粒子を形成することがあります。

パインズの見解では、これは固体金属中の電子の非常に奇妙な挙動であり、彼はそれを「悪魔」粒子と名付けました。

悪魔粒子の特性があまりにも奇妙であるがゆえに、それが予測されて以来、実験で捉えられたことは一度もないのです。

しかし最近、実験物理学者のグループが、高温超伝導体に似ているが高温超伝導体ではない物質であるルテニウム酸ストロンチウム（Sr₂RuO₄）を研究中に、悪魔の粒子の兆候を偶然発見しました。

現在、この発見は Nature に掲載されています。

悪魔粒子は例外です

電子が固体中では個々の特性を失うという事実は、凝縮物質物理学における最も重要な発見の一つです。

電子間の電気的相互作用により、電子は結合して集合体を形成することができます。

十分なエネルギーがあれば、電子は新たな電荷と質量を持つプラズマを形成することさえでき、その具体的な値は基礎となる電気的相互作用によって決まります。通常、プラズマは質量が大きすぎるため、室温のエネルギーでは形成されません。

プラズモンはプラズマ振動の量子粒子です。プラズモンはプラズマ振動の量子化によって生成される準粒子です。

しかしパインズ氏は一つの例外を予測している。彼は、固体が複数のエネルギー帯に電子を持っている場合、それぞれのプラズモンが位相のずれたパターンで結合して、質量がなく電気的に中性な新しいプラズモン、悪魔の粒子を形成できると信じていました。

悪魔の粒子は質量がなく、どんなエネルギーでも形成できるため、どんな温度でも存在できます。

パインズ氏は集団興奮パターンに関する継続的な研究のおかげで、このような予測をすることができました。

物理学では、準粒子または集団励起は、微視的な複雑なシステムで発生する創発現象です。

1951 年、デビッド・パインズとデビッド・ボームは、クーロン相互作用によって引き起こされる固体内の電荷密度の集団振動の基本励起を説明するために、非弾性電子散乱実験でプラズモンの概念を初めて観察し、提案しました。

ランダム位相近似は、1953 年にボームとパインズが金属中の電子のプラズマ振動問題を議論する際に提案した近似法です。金属中の動的電荷応答関数と集団モードを計算するために使用されます。

この理論的枠組みの中で、パインズは多バンド金属の事例を検討し、悪魔粒子を予測しました。

この励起は長波長限界では電気的に中性であり、長距離クーロン相互作用に影響を与えず、「目に見えない悪魔」のようにスペクトル実験を使用して検出するのが難しいため、悪魔粒子と名付けられています。

彼は、この新しいモデルの導入によって、マルチエネルギーバンド金属の研究が促進されることを期待しています。

理論上の予想に反して、物理学者たちは長い間実験で悪魔の粒子を観測できず、パインズの予測は未解決の謎のままとなっている。

2018年、優れた理論物理学者であるデイビッド・パインズ氏が94歳で亡くなりました。彼は生涯を通じて凝縮物質物理学と原子核物理学の分野に重要な貢献を果たし、超伝導の BCS 理論を提唱した人物でもあります。

残念ながら、彼は人生の最後の瞬間まで悪魔の粒子が現れるのを見ることなく生きていました。

実験技術の進歩により、つい最近になってようやく悪魔の粒子が観測されました。

「偽の」高温超伝導体における偶然の発見

悪魔粒子の観測は実は偶然だった。

昔から、ルテニウム酸ストロンチウム（Sr₂RuO₄）という物質が、高温超伝導体に似ているものの、高温超伝導体ではないことから特に注目されてきました。なぜこのような現象が起こるのでしょうか?

この疑問の答えを見つけるために、イリノイ大学やハーバード大学を含む複数の研究機関の研究者がこの物質の電子特性を調査しました。

研究者たちは、非標準的な実験技術を使って物質の電子モードを直接励起し、ルテニウム酸ストロンチウム（Sr₂RuO₄）に「悪魔の粒子」が存在する兆候を発見した。

具体的には、まず、準備された高品質の Sr₂RuO₄ 単結晶サンプルを使用して、運動量分解電子エネルギー損失分光法を実行しました。

△ M-EELSで測定した割れたSr₂RuO₄単結晶

注入された電子のエネルギーは、形成されたプラズモンなどの特徴を直接観察するために使用されます。

△ Sr₂RuO₄の高エネルギーM-EELSスペクトル

しかし、研究者たちがデータを調べてみると、何か異常なものが見つかった。それは質量のない電子モデルだった。

世界最大級の統合量子コンピューティング企業の一つであるQuantinuumの研究科学者であるフセインは、次のように語った。

最初、私たちはそれが何なのか分かりませんでした。悪魔の存在の可能性は昔から指摘されていましたが、今では主流ではないので、基本的には笑い飛ばすだけです。

しかし、さまざまな可能性を一つずつ排除していくうちに、私たちは本当に悪魔を見つけたのか疑問に思い始めました。

研究者らは微視的計算を用いてルテニウム酸ストロンチウムの電子構造を特徴づけ、パインズの説明と一致する、ほぼ等しい振幅で位相がずれて振動する2つの電子エネルギーバンドからなる粒子を発見した。

具体的には、低エネルギー領域で音響モードの線形分散関係が観測され、群速度は約 1.07×105 m/s であり、これは理論上の予測と一致しています。

△Sr₂RuO₄における悪魔粒子励起特性

次に研究者らはSr₂RuO₄の動的電荷応答関数を計算し、その強度が運動量の4乗で変化するゼロギャップ音響モードを発見した。

応答関数の異なるエネルギーバンド成分を分解すると、このパターンは β バンドと γ バンドの電子の位相が逆の運動に起因していることが証明されます。

△Sr₂RuO₄における悪魔粒子励起の概念図。 a フェルミ面は α、β、γ の 3 種類の電子を示し、b は γ バンドと β バンドの充填を変調して、全体的な電子密度波を維持します。

凝縮物質物理学において、フェルミ面は、零度における占有電子状態と非占有電子状態を分ける逆格子空間内の表面である。

次に、パターンの運動量依存性を測定したところ、その強度は和則から予想されるよりも大きく、電気的に中性であることがわかりました。電気的中性、音響特性、逆位相運動などの特性に基づいて、観測されたものは悪魔の粒子であると判定されました。

研究者たちは、単にさまざまなことを試してみることで悪魔の粒子を発見したと考えています。

これは、物事を検出することの重要性を示しています。偉大な発見のほとんどは計画なしに行われます。新しい場所に行って、そこに何があるのか​​を見るのです。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06318-8