Frontiers of QCD/hadron physics pioneered by extreme finite volume
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20K14476
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
鈴木 渓 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究職 (40759768)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | カシミール効果 / 有限体積効果 / 場の量子論 / 格子場の理論 / 磁性体 / マグノン / ディラック半金属 / ワイル半金属 / フォノン / 格子フェルミオン / トポロジカル絶縁体 / 量子色力学 / 格子QCD / ディラック電子系 / ハドロン / カイラル対称性 |
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| Outline of Research at the Start |
量子色力学(QCD)はクォークとグルーオン及びそれらを構成要素とするハドロンの性質を記述するための基礎理論である。有限温度・有限密度のような極限環境におけるQCDは、カイラル対称性の自発的破れやカラー閉じ込めの問題と関連しており、これまで盛んに研究されてきた。
本研究では、新たな研究の舞台として「極端な有限体積系」（例えば、非等方体積や極端に小さな体積）に焦点をあて、そのような環境におけるQCDやハドロン物理を解明するための理論研究を行う。特に、QCD相転移現象とカシミール効果の関係や有限体積系におけるハドロンの性質を明らかにし、将来的な格子シミュレーションや実験研究に対する示唆を与える。
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| Outline of Annual Research Achievements |
カシミール効果は、量子的な真空揺らぎが空間的な境界条件の影響を受けて変化するために生じる物理現象の総称であり、具体例として、二枚の平行板を微小な距離だけ離して置いた際に生じる引力の発生はよく知られている。このような、光子（フォトン）場から生じるカシミール効果の存在は、1990年代に実験で実証され、近年ではナノフォトニクス分野における工学的な応用も提案されている。一方で、光子以外の量子場から生じるカシミール効果の性質を探ることは重要なテーマである。
2022年度は、2020年度に開発した「格子正則化によるカシミール効果の導出」の手法を応用することで、実在する物質内部で発生するカシミール効果を調べた。具体的には、(1)磁性体薄膜内部におけるマグノン場、(2)ディラック/ワイル半金属薄膜内部における電子場から生じるカシミール効果について定量的な解析を行った。
(1)反強磁性体中のマグノンは、低エネルギー領域で線形分散を持つスカラー場として記述され、スカラー場由来のカシミール効果を検証するための舞台となることが期待される。本研究では、反強磁性体である酸化クロム(III)とフェリ磁性体であるイットリウム鉄ガーネットの薄膜内部のマグノン場から生じるカシミール効果を定量的に予言した。以上の成果は速報論文としてまとめられ、Physical Review Lettersに掲載された。
(2)ディラック/ワイル半金属における電子はフェルミ面近傍で線形分散を持ち、電子場由来のカシミール効果が顕著となることが期待される。本研究では、ディラック半金属の候補物質であるヒ化カドミウムの有効模型などを用いて解析を行った。特に、通常のカシミール効果とは異なり、運動量空間のディラック/ワイル点の特殊な構造に起因して物理量が膜厚に依存して振動する現象を発見した。以上の成果は速報論文としてまとめられ、現在投稿中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2020年度に「格子正則化によるカシミール効果の導出」手法を開発した時点で、この手法を固体物理における格子（結晶）上の量子系へ応用することが可能であることは想定していたが、当時は具体的な物質の模型を用いた計算は行わなかった。2022年度は、実在する物質の有効模型を用いることで、物理量の定量的な予言が得られただけでなく、定性的に新しい物理現象を理論的に発見することができた。以上の経緯をもって「おおむね順調に進展している」と評価する。本年度の成果は、磁性体中のマグノンや半金属中の電子などでもカシミール効果に相当する物理現象が起きることを示したものであり（光子の例を踏まえると直感的には起こって然るべきとはいえるが）、その具体的な計算手法を世界で初めて提案したという意味で今後の発展が期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、薄膜物質内部に存在する量子場から生じるカシミール効果の定量的な予言を行った。今後の推進方策として、このような効果が実験でどのように観測されるか考察を進めることが重要な課題である。通常のカシミール効果では、平行板間に生じる負のエネルギーに伴って板間に引力が働き、「引力の出現」を観測することでカシミール効果と見做すが、格子系のカシミール効果は固体内部で生じているため、（結晶構造が変形するような劇的な大きさでない限り）「引力の出現」自体を観測することは難しい。ここで生じる「カシミールエネルギー」は、物質内部の（自由エネルギーの一部である）ゼロ点エネルギーが薄膜化によって変化した差分のことであるので、ゼロ点エネルギーを起源とする内圧やその他の熱力学量に寄与しているはずである。このようなカシミール効果が顕著に反映される物理量を提案することが今後の課題である。
さらに、本年度の解析の素朴な拡張として、有限温度効果の解析がある。今年度に行った予言はゼロ温度における物理量のみであるが、カシミール効果の起源であるゼロ点エネルギーは絶対零度において定義される量であるため、絶対零度に近い低温の試料を用意すれば実験的に観測可能である。一方で、室温の試料から測定される物理量は有限温度効果が支配的となるため、有限温度効果を正しく考慮することで（ゼロ温度効果も含めた）統一的な理解が得られる。これは、理論的には、有限温度の場の理論の知見を用いて簡単に評価できる。
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Report
(3 results)
Research Products
(37 results)
