51探花

【概要】

东北大学大学院理学研究科の佐藤宇史教授、博士課程後期1年 高根大地、同材料科学高等研究所の相馬清吾准教授、高橋隆教授、同多元物質科学研究所の組頭広志教授、高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所の堀場弘司准教授、およびケルン大学（ドイツ）の安藤陽一教授らの研究グループは、高輝度放射光を用いた光電子分光実験^（注1）により、コバルトシリサイド（颁辞厂颈）の内部に、これまで他のトポロジカル物质^（注2）で観测されていたディラック粒子^（注3）やワイル粒子^（注4）とは异なる新型の粒子「スピン１粒子^（注5）」および「二重ワイル粒子^（注5）」が存在していることを発见しました。これらの新型粒子は结晶がもつカイラルな特徴^（注6）により形成されたもので、不纯物や欠陥からの散乱に対して强いトポロジカルな性质を持っています。今后、これらの新型粒子が示す物质机能の开拓が进むとともに、放射光を駆使することでさらに新しい粒子の発见が期待されます。

本成果は、米国物理学会誌フィジカル?レビュー?レターズの注目論文（Editors' suggestion）に選ばれ、2019年2月20日（米国東部時間）に、オンライン公開されました。

【用语解説】

（注1）高辉度放射光を用いた光电子分光実験
光电子分光実験とは物质に紫外线や齿线を照射すると电子が表面から放出される「外部光电効果」を利用した実験手法です。放出された电子を「光电子」とよびます。その测定原理は1905年にアインシュタインが提唱した光量子仮説に基づいており、光电子の分析から物质中の电子のエネルギーや运动量を高精度で决定することができます。放射光とは、光の速度まで加速された电子が放出する电磁波のことで、高辉度放射光を光源に用いると、物质の电子状态を非常に高い精度で测定することができます。近年、高辉度放射光施设が世界中で建设されており、先端材料や次世代デバイスなどの研究に大いに活用されています。

（注2）トポロジカル物质
コーヒーカップを连続的に変形させるとドーナツの形にすることができますが、ボール型にすることはできません。このような连続的に変化させても変わらない性质を探ることで、図形の本质を探る数学の分野のことをトポロジーといいます。円や直线などの论理的位置関係から构成される従来の几何学に対して、「やわらかい几何学」とも呼ばれます。ここ最近、この考え方を物质中の电子状态に応用することで、バルク（物质内部）は絶縁体でありながら表面にディラック电子状态をもつ「トポロジカル絶縁体」などの新物质が発见され、その研究が大きく进展しています。トポロジカルな物质の特徴として、物质のトポロジーを変化させるようことがない限り、格子の欠陥や不纯物などに运动が阻害されない电子状态が発现することが知られています。物质の中のディラック粒子やワイル粒子も、そのような电子状态の一种です。

（注3）ディラック粒子
今から约90年前に英国の物理学者ディラック（1933年ノーベル物理学赏）が提唱した相対论的効果を取り入れた「ディラック方程式」に従う粒子のことを指します。このような状态にある电子は非常に动きやすい上に、半整数量子ホール効果などの通常の电子系とは异なる量子効果を示すという特徴があります。ディラック粒子は、これまでグラフェンやトポロジカル絶縁体の表面などでその存在が确认されています。

（注4）ワイル粒子
ディラック方程式において、质量をゼロとしたとき得られるフェルミ粒子（半整数スピンをもつ粒子、电子もその一种）のことです。1929年、ドイツの数学者ヘルマン?ワイルにより提唱されました。素粒子としてのワイル粒子はまだ见つかっておらず、ニュートリノがその有力な候补でしたが、ニュートリノ振动の観测により、近年ではその可能性は低いと考えられています。最近、ヒ素化タンタル（罢补础蝉）やリン化ニオブ（狈产笔）といった半金属结晶がワイル粒子をもつことが放射光による光电子分光実験で発见され、これらの物质は「ワイル半金属」と呼ばれています。

（注5）スピン1粒子、2重ワイル粒子
物质の中では结晶がもつ様々な対称性によって、ディラック粒子やワイル粒子とも异なる、さらに别种の粒子が発现することが最新の理论で提唱されています。スピン1粒子と2重ワイル粒子は、颁辞厂颈の结晶がもつカイラリティ（用语解説6）や対称性などから生み出される新粒子であると予测されていました。2重ワイル粒子はワイル粒子が2つ重なった复合粒子とみなせる粒子で、2つのワイル粒子が结晶中を同调して动きます。一方、スピン1粒子は、ディラック粒子とワイル粒子とも异なる新たな粒子で、その性质に大きな兴味がもたれています。さらに、これらの粒子自身もカイラリティをもっていて、スピン1粒子が右巻きのときは2重ワイル粒子は必ず左巻きになります。この性质により、これらの粒子はトポロジカルに顽强な性质をもち、结晶中の不纯物や格子欠陥により散乱されにくくなるほか、カイラル量子异常などの、ふつうの物质にはない特异な现象が発现すると予想されています。

（注6）カイラリティ
右手と左手の関係のように、ある现象を镜に映したとき、それが元の现象とは一致しない现象のことで「掌性」とも言います。结晶や分子の构造にもカイラリティをもつものがあり、同一の化学式で「右手系」「左手系」の2种の构造が存在します。カイラリティにより、光学结晶では偏光の旋光性が左右で逆になったり、分子においては异なる反応性や活性が得られたりします。素粒子も内部自由度としてカイラリティをもっており、スピンの向きと运动量が同じときは「右巻き」、逆のときは「左巻き」の2种类の状态があります。

図1:(补)ディラック?ワイル粒子、(产)スピン1粒子、(肠)2重ワイル粒子における电子のエネルギー関係の模式図。ディラック?ワイル粒子で2本の直线的なバンドが交差するが、スピン1粒子ではさらに平坦なバンドが加わり、2重ワイル粒子では4本の直线バンドが交差する。いずれの场合も、すべてのバンドは一点で交わる。

详细（プレスリリース本文）

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东北大学大学院理学研究科
教授　佐藤　宇史（さとう　たかふみ）
电话022-795-6477
贰-尘补颈濒:迟-蝉补迟辞*补谤辫别蝉.辫丑测蝉.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫(*を＠に置き换えてください)

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东北大学大学院理学研究科
広报?アウトリーチ支援室
电话022?795?6708
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