フェルミ準位での平坦エネルギーバンド発見、量子技術の可能性を解明する研究

Tokyoライス大学の研究者らは、フェルミ準位にフラットな電子バンドが存在する可能性があることを発見しました。この発見は、量子コンピューティングや電子デバイスの改良に役立つ可能性があります。この研究は6月19日に「Nature Communications」に掲載されました。

量子物質は量子力学の原則に従っています。これらの物質において、電子は特定のエネルギーレベルを持っています。最高のエネルギーレベルはフェルミエネルギーと呼ばれます。電子同士は反発し、その動きは相互に関連しています。シー・チミャオ率いるチームが発見したのは、これらの相互作用がフェルミレベルで新しい平坦なエネルギーレベルを生み出すことができ、それがより重要になるということです。

「ほとんどのフラットバンドはフェルミエネルギーから遠く離れており、それが材料の特性に与える影響を制限しています」とSiは述べています。通常、粒子のエネルギーはその運動量と共に変わりますが、量子力学では電子が量子干渉を示すことがあります。これにより、運動量が変化してもエネルギーは一定に保たれます。これがフラットバンドと呼ばれる現象です。

平坦な電子バンドは電子同士の相互作用を強化します。これにより、新しい量子状態や特有の低エネルギーの挙動が生じることがあります。特にd電子を持つ材料では、このようなバンドが大変役立ちます。これらは遷移金属イオンであり、独特な結晶構造と特別な特性を持っています。

チームの調査結果は示しています。

• d電子材料の新たな設計方法
• 量子ビット（キュービット）への新たな応用の可能性
• スピントロニクスでの利用

研究者たちは、電子間の相互作用が静止した電子状態と動いている電子状態を結びつけることができることを発見しました。彼らは理論モデルを用いてこれを示しました。この相互作用により、新しいタイプのコンド効果が生じることがあります。この効果では、静止している粒子がフェルミエネルギーにおいて動いている電子と相互作用することで動く能力を得ることができます。

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金属中の伝導電子が磁性不純物によって散乱されると近藤効果が現れます。これにより、温度に応じて電気抵抗が特有の変化を示します。「量子干渉が近藤効果を可能にすることで、私たちは大きな進展を遂げることができます」とライス大学の博士課程学生であるレー・チェンさんは述べました。

平坦バンドはトポロジーと呼ばれる重要な特性を持っています。「フェルミエネルギーにおける平坦バンドは、新しいタイプの量子状態を生み出すことができます」とチェンは述べています。研究によると、これにはエニオンやワイルフェルミオンが含まれており、それらは質量を持たないが電荷を持つ特別な粒子です。

エニオン材料は量子ビット（キュービット）に役立つ可能性があります。ウェイユフェルミオンを含む材料は、スピンベースのエレクトロニクスで利用されるかもしれません。このような材料は外部からの信号に応答しやすく、高度な量子制御を可能にするでしょう。

結果は、フラットバンドが強く結びついたトポロジカル半金属を作り出すことができることを示しています。これらの半金属は低温で動作するだけでなく、場合によっては室温でも機能する可能性があります。「私たちの研究は、フラットバンドを高い相互作用のある環境で使用するための基盤を提供します。これにより、低温を超えた環境で機能する新しい量子材料の設計と制御が可能になります」と、シ氏は説明しています。

この研究には以下の人々が貢献しています。

• 范謝 (ファン・シエ) とショウヴィク・スー、ライス大学の物理学および天文学のポスドク研究員
• ハオユイ・フー、ライス大学の卒業生でドノスティア国際物理学センターのポスドクフェロー
• シルケ・パッシェン、ウィーン工科大学の物理学者
• ジェニファー・カノ、ストーニーブルック大学およびフラットアイアン研究所の理論物理学者