| 研究課題/領域番号 |
20K03870
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
藤山 茂樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (00342634)
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| 研究分担者 |
田嶋 尚也 東邦大学, 理学部, 教授 (40316930)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | ディラック電子 / 軌道反磁性 / 電磁双対性 |
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| 研究実績の概要 |
ディラック電子系は低エネルギー線形分散を有するバンド構造を有する電子系である。これまでグラフェンやビスマス、また近年精力的に研究されているトポロジカル絶縁体の表面状態もディラック電子系の一種である。有機導体は近年、バルク体として、フェルミ準位がディラック点近傍に安定的に存在する物質群であると認識され、ディラック電子分散研究のプロトタイプとして期待されている。
今年度、われわれは有機導体a-(BETS)2I3は常圧で2meV程度の小さなギャップを持つ二次元ディラック電子系であることを明らかにした。これまでよく研究されてきたa-(BEDT-TTF)2I3は圧力セルを用いた高圧力下でしかディラック電子が実現していなかったのと対照的に、本物質は常圧で実現する。われわれは磁化率の異方性から電気伝導面に垂直な方向にのみ軌道反磁性が生じることを見出し、併せて研究分担者による伝導率測定から1伝導面あたりの電気伝導率が量子抵抗の値を示すことを見出した。ここで示された軌道反磁性は2次元ディラック電子系でながらく理論的に予言されていたもののバルク物質がなかったために観測されてこなかった現象をとらえた現象である。また、1伝導面量子抵抗率も2次元ディラック電子系の顕著な特徴であり、両者が同時に観測された例は大変珍しい。
ディラック電子系のバンド構造は特殊相対性理論における光錐をフーリエ変換したものである。このためディラック電子の電磁応答は量子電気力学(QED)で記述することが期待される。われわれは理論研究者との共同研究から、今年度観測された軌道反磁性と量子伝導率がQEDを用いた理論の枠組みで定量的に説明が可能であることを明らかにし、両者が電磁双対の関係にあることを明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
今年度発見した軌道反磁性は二次元ディラック電子系においてながらく理論的に予言されていたものの実験的な観測が行われてこなかったものであり、SQUID磁束系を用いた反磁性の絶対値観測の意義は大きい。ディラック電子系の電磁応答は量子電気力学による取り扱いが可能となり、高エネルギー物理学との接続も見据えた幅の広いものである。われわれは定量的に理論と実験を比較することに成功し、来年度以降の詳細な研究の十分な基礎を作ることができたと考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
ディラック電子系においては軌道反磁性とあわせて異常ホール効果の出現が理論的に予言されているが実験的観測の報告はこれまでにない。今年度の成果から異常ホール効果の端緒のような現象が観測されているため理論研究者との共同研究などを通して詳細をあきらかにしていく。
二次元ディラック電子系の電磁双対性については、誘電率の周波数依存性がなくなることが知られており、これは実際にグラフェンで観測されている。同様の現象をバルク体ディラック電子系であるa-(BETS)2I3で観測できるかどうか、という問題はこの物質の温度に依存しない電気伝導の起源を探る上でも重要な役割を果たすと考えられる。このため、誘電率測定の測定装置の建設を行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
在宅勤務期間があったため、実験そのものは行っていたが液体ヘリウム、液体窒素を大量に用いる実験を後回しにし、SQUID 磁束系など寒剤をあまり用いない研究を先に行った。また出席を検討していた国際会議がとりやめとなったために次年度使用額が生じた。研究計画の全体に変更はないため使用する予定である。
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