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の 山川 洋一 講師、紺谷 浩 教授の研究グループは、国立大学法人 京都大学基礎物理学研究所の 田財 里奈 助教とともに、カゴメ格子构造注４）の金属化合物で創発する新奇な相転移―ナノスケールのループ电流秩序―を解明する理論を発見しました。
2019年に発见されたカゴメ格子金属础痴3Sb5(础=颁蝉,搁产,碍)は几何学的フラストレーション注５）を有する新種の超伝導体ですが、そこではナノスケールのダビデ星型パターンを伴う電荷秩序や超伝導など、実に多彩な電子状態が実現します。中でも「ループ电流秩序」は、ナノスケールの電流が減衰せず流れ続ける、極めて不思議な電子状態です。しかし永久電流を伴う状態が安定して存在できる理由は未解明でした。
本研究では、カゴメ金属のループ电流秩序の理論機構を、场の量子论に基づき解明しました。フラストレーションにより増大した電子の量子揺らぎ（不確定性原理注6）に基づく电子の运动）が糊となり、电子と正孔（电子の空孔）が特殊な束缚状态を组むことを见出しました。惊くべきことに、この束缚状态の振幅は虚数となり、自由电子への有効磁场を与えるため、永久ループ电流が流れます。本研究は、カゴメ金属の多重相転移を理论的に解明し、様々な金属への応用が期待されます。
本研究成果は、2023年11月29日にイギリス科学誌「Nature Communications」に掲載されました。
?カゴメ格子金属では、電子が減衰せずに回転運動を続けるループ电流秩序注１）という、极めて不思议な量子相が実现する。
?本研究では、ループ电流秩序の発現機構を场の量子论注２）に基づき解明し、カゴメ格子金属の多重相転移注３）の统一的理解を得た。
?高温超伝导体のループ电流の解明や、将来的に高温超伝导机构の解明も期待される。
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注１）ループ电流秩序：
电子相関によって时间反転対称性を破った电子?正孔秩序が生じたとき、ループ电流が流れる。铜酸化物超伝导体において长年精力的に研究されてきたが、最近カゴメ金属において多数の有力な実験的観测が报告されている。
注２）场の量子论：
多电子の量子力学的状态を効率よく记述する理论。场の理论に基づき、ファイマンにより创始されたファイマン図の理论や、ウイルソンにより创始されたくりこみ群理论が展开される。
注３）多重相転移：
相転移は、温度や圧力を変えることで巨视的な性质（相）が変化する现象を指す。金属电子では磁性相、电荷秩序相、超伝导相などが代表的な量子相である。多重相転移は复数の相が共存?竞合する状态であり、新奇量子状态が実现する面白い舞台となる。
注４）カゴメ格子构造：
竹笼の网目模様に类似した2次元格子构造。カゴメ格子金属の强い几何学フラストレーションにより、単纯なスピン秩序や电荷秩序が抑制される一方で、电荷やスピンの强い量子揺らぎが発达し、新规な电子物性の舞台である。
注５）几何学フラストレーション：
カゴメ格子が有する叁角形构造は、电子の磁気秩序や电荷秩序を着しく抑制する効果があり、几何学フラストレーションと呼ばれる。このとき电子の粒子?波动の2面性が强调されて、新奇な电子状态が生まれやすい。
注６）量子力学：
电子などのミクロな粒子の运动を司る物理法则。电子は粒子としての性质（粒子性）と波としての性质（波动性）という2重性をあわせ持ち、不确定性原理と呼ばれる。
雑誌名： Nature Communications
論文タイトル：Charge-loop current order and Z3 nematicity mediated by bond order fluctuations in kagome metals
著者： 田財里奈（京都大学）、山川洋一（黑料网）、紺谷浩（黑料网）
DOI: 10.1038/s41467-023-42952-6
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