量子領域において、電子を統一して行動させることの難しさは広く知られています。しかし、これらを全く新しい配置に強制するには通常、大量のエネルギーが必要です。これまでのところ、沖縄科学技術大学院大学 (OIST) と広島大学の研究者たちは、微小な磁場の揺らぎが三テルル化セリウム (CeTe₃) という層状量子材料の内部の規則を変えることができることを発見しました。わずかな傾斜の磁場をかけるだけで、全体の電子構造が平行なストライプの列から整然としたチェッカーボードに変わります。この発見は、将来のスピントロニクスや量子計算アーキテクチャにおける原子レベルの情報制御に向けた指針を提供します。
CeTe₃の構造特性が電子の挙動の変化を促進
銅、銀、シリコンなどの材料では、電子の挙動は予測可能です。しかし、量子材料では、複雑な相互作用が顕著な集団電子状態を生み出します。量子材料研究の主要な目標の一つは、これらの新たに現れる状態がどのように発展するかを理解し、それを操作・制御できるようにすることです。この現象を理解するためには、CeTe₃の構造を注意深く観察する必要があります。CeTe₃はグラフェンに似ており、超高速で移動する電子を持つ二次元層状材料ですが、その構造はより特異です。CeTe₃では、作業量がテルル (Te) とセリウム (Ce) の二種類の原子によって分担されています。
テルル層は、高速で移動する電子が迅速に運行できるようにし、自然に繰り返しの波状パターンを形成します。一方、セリウム層は静止した電子を収容し、これらの電子は動かず「局所化」しています。量子特性の一つであるスピンのために、これらの固定された電子はまるでその場に固定された小さな磁石のように振る舞います。
長い間、人々はこの二つの異なる世界の相互影響を探求してきました。静止した磁気スピンは、迅速に移動する電子の経路を変えることができるのでしょうか？簡単な答えは「はい」であり、その影響は誰もが予想していた以上に大きいのです。「CeTe₃は、移動する電子と局所的なスピンがどのように協力しているのかを観察する貴重な機会を提供します。我々はこの協力が集団電子状態をどのように生み出すのかを直接可視化したいと考えています」と、広島大学の助教藤澤裕太 (Yuita Fujisawa) は述べています。
微小磁場の変化が電子の配列に大きな影響を与える
絶対零度に近い温度で走査トンネル顕微鏡 (STM) を使用することで、研究者たちは材料表面のマッピングを原子分解能で行いました。最初、移動する電子は明確な平行ストライプに配置されていました。その後、磁場がかけられました。「私はすぐに岡田教授のオフィスに駆け込み、『これを見てください！』と言いました」と共同第一著者の藤澤博士は回想します。「私たちは驚きました。なぜなら、材料の中に同時に複数の競合する電子モードが存在し、これらのモードが非常に微小な磁場によって劇的に切り替わることが非常に珍しいからです。」
この突然の変化の背後には「電子フラストレーション」と呼ばれる概念があります。CeTe₃の中で、電子は電子フラストレーションを経験し、これはそれらが複数の低エネルギーモードを採用でき、特定のモードを好まないことを意味します。まるでボールがほぼ同じ複数の谷に留まっているように、微弱な磁場の微細な押し出しが材料の内部バランスを変え、配列をストライプモードからチェッカー状態に変えることができます。同時に、別のチームが『物理レビューB』に発表した補足研究では、岡村竜太郎博士のチームが中性子散乱を利用して材料の基本的な磁気コアを探査しました。
その研究は、この材料が予想外の複雑な磁気秩序を発展させており、これが絶対零度に近い電子状態の変化を直接支持し駆動していることを示しています。
岡村博士は「CeTe₃は反強磁性であり、これは通常、隣接するスピンの方向が反対であることを意味します。しかしこの場合、我々は磁気モーメントがより複雑な繰り返しパターンを形成していることを発見しました。」この正確な整列は、CeTe₃の中の磁気秩序と電子状態の間に密接な関係があることを示す強力な証拠を提供します。これらの研究結果は『ネイチャーコミュニケーションズ』に発表されました。