早大ら,ディラック電子系の光誘起相転移を解明

早稲田大学と金沢工業大学は,「相対論的量子力学」に従う「ディラック電子」が互いに強く相互作用し合っている「強相関ディラック電子系物質」において,2種類の異なる絶縁体状態を光照射によって切り替えられることを理論的に発見した(ニュースリリース)。

電子同士に強いクーロン反発力が働く物質では,電子がそれぞれの原子,あるいは分子の上に局在して動けなくなり,「モット絶縁体」になることがある。

なかでも,異なる数の局在電子を持つ原子や分子が規則正しく配列し,ある空間パターンを形成しているような特別なモット絶縁体である「電荷秩序絶縁体」に光を照射すると,光の電磁場により電子が活性化され,絶縁体から金属への状態変化が起こる。

また,条件が揃うとある種の物質中では,相対性理論と量子力学を組み合わせた「相対論的量子力学」に従う「ディラック電子」が現れることがある。このディラック電子を持つ物質に円偏光レーザーを照射すると,電子の運動が位相幾何学に従うことで試料の表面以外が絶縁化する「トポロジカル絶縁体」になることがある。

このように光照射により物質の状態や性質が変わる現象は「光誘起相転移」は盛んに研究がおこなわれいるが,「強相関ディラック電子系」と呼ばれる,強いクーロン反発力が働くディラック電子系の光誘起相転移の研究は,それを記述する理論的な枠組みが確立されていないこともあり,ほとんど進んでいなかった。

研究では,強相関ディラック電子系物質として,アルファ型有機塩α-(BEDT-TTF)2I3を例に取った。この物質は,光を照射する前は電子間に働く強いクーロン反発力によって電荷秩序絶縁体になっている。

研究グループは,「拡張ハバードモデル」と呼ばれる数理モデルを用いて,円偏光レーザーを照射した時のダイナミクスをコンピュータでシミュレーションした。さらに,このシミュレーションとフロケ理論を組み合わせ,光照射下で現れる新しい状態の性質を調べた。

その結果,ある強度の円偏光レーザーを照射すると,局在した電子が活性化されて動けるようになり,金属化したディラック電子系である「ディラック半金属」が現れることを見出した。さらに,レーザー強度を上げていくと,このディラック半金属がトポロジカル絶縁体へ相転移することを発見した。

これらの一連の光誘起相転移はそれぞれ,円偏光レーザーが持つ二つの異なる性質,つまり「振動電磁場により電子を励起・活性化する性質」と「円偏光電磁場により系の時間反転対称性を破る性質」に起因するという。研究グループはこの成果が,新たなトポロジカル電子デバイスの実現に道を開くとしている。

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