スイスのバーゼル大学とミュンヘン工科大学の研究者たちは、ウィゲン結晶内の電子の動きを明らかにする新しい方法を開発しました。これは、最も捉えにくい物質状態の一つです。研究チームは、光を利用してこの結晶の脆弱な量子状態における特性にアクセスしました。ウィゲン結晶は、約1世紀前に予測された電子の固体相であり、電子密度が低いときに秩序ある結晶格子構造を形成します。中性の背景中で移動する際、電子気体は低密度で結晶化する傾向があり、これはポテンシャルエネルギーが運動エネルギーよりも支配的であるためです。電子が存在する次元に応じて、電子は三次元空間で結晶格子を形成したり、二次元空間で三角形格子を形成したり、一次元空間で均等に間隔を置いた格子を形成したりします。これは、電子雲がそのポテンシャルエネルギーを最小化しようとするためです。
物理学者ユージン・ウィゲンは1934年にこの現象を予測し、それ以来科学者たちの注目を集めています。なぜなら、この結晶はホスト材料の内部構造に由来しないからです。これらの結晶は広く観察されていますが、その内部の挙動、運動、相互作用、または外部の擾乱に対する反応についてはほとんど理解されていません。
研究チームがウィゲン結晶の内部挙動を明らかにすることに成功
そのため、バーゼル大学の助教授トマス・スモレンスキーが率いる研究チームは、光を使用してこの結晶を探査しました。研究チームは、単層二硒化バナジウムを絶対零度に近い温度まで冷却し、光を照射しました。バーゼル大学の実験者ワン・ルージュンは、「私たちの測定は、光がこの異常な状態の存在を検出するだけでなく、その内部挙動を明らかにすることができることを示しています。」と説明しました。彼らの研究は、光の光学的特性が電子間の相互作用の強度に影響されることを示しており、これは他の複数の相互作用粒子を持つシステムを探求する上で重要な意義を持っています。
彼らの発見を理解するために、研究者たちはウィゲン結晶内部で何が起こっているのかを説明するための強力な理論が必要でした。そこで、チームはミュンヘン工科大学の集団量子力学の教授マイケル・クナップと協力し、内部で何が起こっているのかを理解しようとしました。
クナップとそのチームは、入射光が励起子を生成し、これらの励起子がウィゲン結晶内の秩序ある電子と相互作用し、極化子と呼ばれる混合準粒子を形成するという理論を提案しました。これらの極化子は、この結晶およびその集団動力学の光学的探査ツールとして機能します。ミュンヘン工科大学の博士課程の学生ファビアン・ピーヘルは、「特に興奮するのは、これらの信号が電子の配置に関する情報だけでなく、彼らの量子力学も含んでいることです。」と述べました。彼はさらに、「これにより、実験的な観察結果を基礎的な多体物理学と直接結びつけることができるようになります。」と付け加えました。
この研究は、原子薄材料が秩序ある量子状態における電子の集団運動を観察するための有望なプラットフォームであることを示しています。これは、他の材料を調査し、その内部動力学を理解するための可能性を開きますが、これらの材料は強い相関を持つ物質である可能性があります。研究結果は『Nature Physics』誌に発表されました。