国立大学法人東海国立大学機構 黑料网大学院理学研究科理学専攻物理科学領域の山川洋一講師、大成诚一郎准教授、紺谷浩教授らは、理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター創発物性計測研究チームのクリストファー?J?バトラー研究員、幸坂祐生上級研究員（研究当時、現創発物性計測研究チーム客員研究員、京都大学大学院理学研究科教授）、花栗哲郎チームリーダーの国際共同研究グループと共に、バリウムとニッケルの硫化物BaNiS2において、质量を持たない电子（ディラック电子[1]）とあたかも液晶[2]のように振る舞う电子が共存していることを発见しました。
本研究成果は、非常に珍しい电子状态であり、全く新しい物性を実现する舞台として期待できます。
结晶构造が特别な几何学的対称性[3]を持つ物质や、电子状态がトポロジー[4]的に非自明[5]な物质では、电子の质量がゼロになることがあります。一方、电子间の斥力相互作用（电子相関[6]）が强い迁移金属化合物[7]では、高温超伝导[8]やさまざまな磁性など、非自明で役に立つ现象が観测されます。これらの対称性?トポロジーに立脚した物质の研究と电子相関の研究は、现代物性物理の二大潮流ですが、それぞれの効果が着しい物质は异なっている场合が多く、両者の共存?竞合を研究することは困难でした。
今回、国际共同研究グループは、叠补狈颈厂2では、质量を失ったディラック电子と电子相関によって生じた液晶のように方向性を持った电子が共存していることを走査型トンネル顕微镜／分光法（厂罢惭/厂罢厂）[9]を用いた実験とその理论解析から明らかにしました。これにより、対称性?トポロジーと电子相関が织りなす创発现象探索の扉が开かれたことになります。
本研究は、科学雑誌『Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）』オンライン版（12月2日付）に掲载されました。
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[1] ディラック電子
电子の运动を记述する基本方程式であるディラック方程式に従って运动する、质量のない电子のこと。通常の质量を持つ电子の运动は、より简便なシュレーディンガー方程式で近似的に记述できる。固体中の电子の质量は実効的に真空中の値から変化し、时には质量を失う场合がある。この场合は近似が成り立たず、ディラック方程式で记述しなければならない。
[2] 液晶
液体と固体の中间のような状态。液体は流动性を持ち系は均一であるが、固体状态では构成要素が离散的?规则的に固定されているので、并进や回転に関する连続対称性が破れている。液晶状态では、流动性を持ちつつも何らかの対称性が破れている。回転対称性が破れて系が方向性を持つような液晶状态は、ネマティック状态と呼ばれている。
[3] 幾何学的対称性
例えば、正叁角形は120&诲别驳;回転すると元に戻ったり、顶点から対辺に下ろした垂线に対して左右対称だったりする性质を持つ。これらの合同操作を几何学的対称性と呼ぶ。几何学的対称性は、それぞれの図形や文様に固有な特徴で、その分类に利用することができる。结晶を构成する原子や分子の规则配列は一种の文様であり、几何学的対称性に基づいて分类できる。
[4] トポロジー
伸び缩みさせて重ね合わせることのできる図形は同じ形と见なして、図形の分类や性质を调べる几何学、位相几何学のこと。例えば、取っ手のあるコーヒーカップとドーナツは伸び缩みさせれば重なるが、「穴」があるので取っ手のない汤呑茶碗とは区别される。また、メビウスの轮は「ねじれ」が入っているので、普通のリングとは异なる。穴やねじれがある场合を、しばしば「トポロジー的に非自明」という。
[5] 非自明、自明
数学的な対象が复数の形态をとり得るとき、その中に非常に単纯で直感的に明らかなものが含まれる场合、その形态を自明、その他を非自明と呼ぶ。例えば、虫+测=0を満たす虫と测の组み合わせは无数にあるが、虫=测=0は自明で、他は非自明といえる。
[6] 電子相関
电荷を持つ物体の间にはクーロン力が働き、その向きは、互いの电荷の符号が异なる场合は引力に、同じ符号の场合は斥力になる。电気伝导を担う电子同士の间に働く斥力相互作用を电子相関と呼ぶ。他の电子が持つ电荷は、背景に并ぶ原子核の正の电荷と打ち消し合うので、电子相関は无视できることも多い。しかし、电子が运动することが许された轨道が狭いなど、他の电子の影响を受けやすい迁移金属の化合物などでは、电子相関が物性に大きな影响を及ぼす。
[7] 遷移金属化合物
原子において、通常は电子のエネルギーが高いほどその轨道は原子核から离れているが、金属元素の中には、原子核に近い轨道のエネルギーの方が高くなるものがあり、迁移金属元素と呼ばれている。鉄や铜など、多くの金属が迁移金属元素であり、その化合物は迁移金属化合物と呼ばれる。金属の物性は、原子内でエネルギーが最も高い电子が担っているが、迁移金属化合物ではその轨道が原子核に近く狭いために电子相関が重要になる。
[8] 高温超伝導
物质の电気抵抗が完全に消失する超伝导现象は通常、絶対零度（0碍=约-273℃）近傍でしか起こらないが、それが比较的高温で起こる现象。「高温」の明确な定义はないが、おおよそ40碍（约-233℃）以上で超伝导になると高温超伝导と呼ばれる。
[9] 走査型トンネル顕微鏡／分光法（STM/STS）
電圧を加えた鋭い金属の探針を、試料の表面に極めて近くまで接近させると、探針試料間に量子力学的な電流（トンネル電流）が流れる。トンネル電流は、探針試料間隔に極めて敏感なので、探針の高さを電流が一定になるように調整しながら二次元的に走査し、探針の高さを記録することで、試料表面の凹凸を原子レベルの超高分解能で描き出すことができる。この装置を「走査型トンネル顕微鏡（STM）」と呼ぶ。1981年にスイスのG. ビーニッヒとH. ローラーによって発明された。探針に加える電圧を変化させることによって、特定のエネルギーを持つ電子状態を選択的に取り出して、その分布を調べることもできる。このような測定法を「走査型トンネル分光法（STS）」と呼ぶ。STMはScanning Tunneling MicroscopeまたはScanning Tunneling Microscopy、STSはScanning Tunneling Spectroscopyの略。
＜タイトル＞
Correlation-driven electronic nematicity in the Dirac semimetal BaNiS2
＜着者名＞
C. J. Butler, Y. Kohsaka, Y. Yamakawa, M. S. Bahramy, S. Onari, H. Kontani, T. Hanaguri, and S. Shamoto
＜雑誌＞
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）
＜顿翱滨＞
10.1073/pnas.2212730119
＜鲍搁尝＞
