広島大ら,最速の線ノード型ディラック電子を発見

広島大学,久留米工業大学,産業技術総合研究所,イムラ・ジャパンは,超伝導体であるZrP2-xSexのバンド構造の観測に成功し,線ノード型ディラック電子が,同物質中のリン原子の正方格子によって形作られることを実証した。さらに,このディラック電子が,これまでに発見された物質中のディラック電子の中で最も高速に達することを明らかにした(ニュースリリース)。

見かけ上の質量がゼロになるディラック電子は,不純物があってもぶつかることなく進み続けるという特徴を持ち,グラフェンで最初に発見された。高速で移動度の高い電気伝導を実現するため,グラフェンを用いた電子デバイスの開発が進められている。

ディラック電子は,ノードと呼ばれるエネルギーの原点が「点状」のものと「線状」のものの2種類に分けられる。グラフェンを含め,これまで発見された物質中のディラック電子は,ほとんどが点ノード型で,線ノード型は希少だった。

線ノード型は,ディラック電子のエネルギー分散関係が運動量空間で連続的につながっているため,電子が散乱されにくい性質に期待が高まっている。次世代デバイスには,「線状」でかつ「高速」なディラック電子を持ち,さらに「超伝導」を示すことが要求されるが,こうした物質は発見されていなかった。

超伝導体ZrP2-xSexは,線ノード半金属ZrSiSを形作るシリコンSiをリンPに置き換えたものであることから,同様の線ノードが現れると予測されていた。そこで研究では,超伝導体ZrP2-xSexの電子構造を直接観測し,線ノード型ディラック電子の有無とその形成起源を調べるために,放射光を用いた角度分解光電子分光を行なった。

その結果,超伝導体ZrP2-xSexにダイヤモンド型をした環状の線ノードの存在を明らかにした。また,ディラック分散関係の傾きから,線ノード型ディラック電子の速度が1200km/sに達することがわかった。

この速度は、グラフェン中の点ノード型ディラック電子の速度に匹敵し,これまでに知られている線ノード型ディラック電子の速度を大幅に上回る。また,リンP原子の正方格子でできた単原子層を仮定してモデル計算が実験結果を見事に再現したことから,観測された特徴的な環状の線ノードと最速のディラック電子が,リンP原子の正方格子によって実現することがわかった。

この発見は次世代の高速デバイス開発への指針となるもの。また,線ノードを有する物質もトポロジーで分類できることがわかってきたことから,新しいトポロジカル超伝導体の発見にもつながり,エラー耐性に優れた量子コンピュータに必要な幻の粒子・マヨラナ粒子の発見にもつながると研究グループは期待している。

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