物理学者がボソンでできた物質に遭遇

科学者たちは、励起子と呼ばれるボソン粒子の相互作用を通じて、「ボソンコヒーレント絶縁体」と呼ばれる新しい物質状態を発見した。 この研究は、物性物理学の新たな理解と新しいボソン物質の創造への道を開く可能性があります。

グリッド (窓網戸やハニカムなど、通常のセルのグリッドの平らな部分) を取り、その上に別の同様のグリッドを置きます。 ただし、各格子のエッジやセルを揃えようとするのではなく、上のグリッドにひねりを加えて、下のグリッドの一部が透けて見えるようにします。 この新しい 3 番目のパターンはモアレであり、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の物理学者が興味深い物質の挙動を発見したのは、この種の二セレン化タングステン格子と二硫化タングステン格子の入れ子状の配置の間です。

「私たちは物質の新しい状態、つまりコヒーレントなボソン絶縁体を発見しました」と、Chenhao Jin氏のグループの大学院生研究者であり、UCLAの物性物理学者であり、サイエンス誌に掲載された論文の筆頭著者であるRichen Xiong氏は述べた。 Xiong氏、Jin氏、およびUCSB、アリゾナ州立大学、日本の国立材料科学研究所の共同研究者らによると、このような材料が（合成ではなく）「本物の」材料システムで作成されたのはこれが初めてだという。 このユニークな物質は、励起子と呼ばれるボソン粒子の高度に秩序化された結晶です。

「伝統的に、人々は多くのフェルミ粒子を組み合わせると何が起こるかを理解することに最も力を入れてきました」とジン氏は言う。 「私たちの研究の主な原動力は、基本的に相互作用するボソンから新しい物質を作ったことです。」

2枚を少しずらして重ねることで、モアレと呼ばれる新たな模様が生まれます。 クレジット: マット・ビアーコ

ボソニック。 ねじ切りされた。 インシュレータ。

素粒子は、フェルミ粒子とボソンという 2 つの大まかなタイプのいずれかに分類されます。 最大の違いの一つは彼らの行動にある、とジン氏は言う。

「ボソンは同じエネルギー準位を占めることができますが、フェルミ粒子は一緒にいることを好みません」と彼は言う。 これらの行動が一緒になって、私たちが知っているような宇宙を構築します。」

フェルミ粒子は電子と同様、安定しており静電力を通じて相互作用するため、私たちが最もよく知っている物質の基礎となっています。 一方、ボソンは、フォトン（光の粒子）と同様、一時的であるか相互に相互作用しないため、作成または操作がより困難になる傾向があります。

シオン氏は、それらの独特の挙動の証拠は、それらの異なる量子力学特性にあると説明した。 フェルミオンは 1/2 や 3/2 などの半整数の「スピン」を持ちますが、ボソンは全整数のスピン (1、2 など) を持ちます。 励起子とは、負に帯電した電子 (フェルミオン) が、対応する正に帯電した「正孔」 (別のフェルミオン) に結合し、整数の半分を一緒に回転させて整数になり、その結果ボーソンが生成される状態です。

ジンの研究室、左から右へ: Tian Shi、Riqin Xiong、Chenhao Jin、Samuel L Brantley。 クレジット
ソニア・フェルナンデス

系内の励起子を生成して特定するために、研究者らは2つの格子を重ね、「ポンプ分光法」と呼ぶ方法で強い光を照射した。 両方の格子からの粒子（二硫化タングステンからの電子と二酸化タングステンからの正孔）と光の収集により、研究者がこれらの粒子の挙動を調査できるようにしながら、励起子の形成と相互作用を促進する環境を作り出しました。

「そして、これらの励起子がある密度に達すると、もはや動くことができなくなります」とジン氏は語った。 強い相互作用のおかげで、特定の密度でのこれらの粒子の集合的な挙動により、それらの粒子は強制的に結晶状態になり、その安定性により断熱効果が生じます。

「ここで何が起こったかというと、ボソンをより高次の状態に追い込む関係が発見されたということです」とシオン氏は付け加えた。 一般に、非常に低い温度下ではボーソンの緩やかな集合体が凝縮器を形成しますが、この領域では、比較的高温で軽く、密度と相互作用が増加するため、それらは対称的に帯電した中性の固体絶縁体に組織化されます。

この奇妙な物質状態の生成は、研究者の波状プラットフォームとポンプ分光法がボソン物質の生成と研究の重要な手段となりうることを証明しています。

「超伝導などにつながるフェルミ粒子の体相はたくさんある」とシオン氏は語った。 同様にエキゾチック相であるボソンに似た天体もたくさんあります。 「我々は実際の物質でボソンを研究する優れた方法を持っていなかったので、私たちがしたのはプラットフォームを作成することでした。」と彼は付け加え、励起子はよく研究されていたが、このプロジェクトですら励起子と強く相互作用させる方法がなかったと付け加えた。お互い。

ジャイナによれば、彼らの方法を通じて、励起子などのよく知られたボソン粒子を研究できるだけでなく、新しいボソン材料を使って凝縮物質の世界へのより多くの窓を開くことも可能になるかもしれない。

「一部の材料には非常に奇妙な特性があることがわかっています」と彼は言う。 「物性物理学の目標の 1 つは、物性物理学がこれほど豊富な特性を持つ理由を理解し、これらの挙動をより確実に示す方法を見つけることです。」

参考文献：「WSeにおける励起子のコヒーレント絶縁体」₂/WS₂ Super Moiry』、Richen Xiong、Jacob H.Ni、Samuel L. Brantley、Patrick Hayes、Renee Silos、Kenji渡辺、Takashi Taniguchi、Svaten Tongai、Chenhao Jin著、2023年5月11日、こちらから入手可能。 科学。
DOI: 10.1126/science.add5574