物質の新しい状態では、電子は破片に分解できる

40年前、理論物理学者は、特定の磁性材料が電子がばらばらに分裂する奇妙な状態になる可能性があると予測しました。現在、研究者は2次元材料でこれらの分数電子を観察し、いわゆる量子スピン液体が実際に存在できることを証明しました。

量子スピン液体とは、電子がマヨラナフェルミオンと呼ばれる準粒子に分解する物質の異様な状態である。今週ネイチャーマテリアルズ誌に発表された新しい論文で、科学者たちはハニカム構造を持つ二次元物質であるアルファルテニウム塩化物に注目した。彼らは中性子散乱と呼ばれる技術を使用した。これは、物体から中性子の束を跳ね返らせ、それらが形成するパターンを観察するものである。

アルファルテニウム塩化物が通常の状態であれば、中性子は鋭い線のパターンを生成していたはずだ。しかし、理論上の量子スピン液体は異なるパターンを生成する。実際、2014年に、現在の論文の共著者の1人が、量子スピン液体は幅広い曲線のパターンを生成すると予測した。そして、それは研究者が実験で観察したものと一致している。

この発見は、いくつかの複雑な疑問を提起します。量子スピン液体とは何であり、液体とどう違うのでしょうか? 電子のような基本粒子をどうやってばらばらに分割できるのでしょうか? 複雑な量子の世界へようこそ。Q&A 形式で説明しましょう。

量子スピン液体とは何ですか?

物質はさまざまな状態で存在することができます。氷、コップ一杯の水、やかんの蒸気はすべて H ₂ O の形態です。しかし、これらは日常生活で最もよく見られる状態にすぎません。特定の条件下では、物質はより奇妙な形や挙動をとることがあります。

より珍しい状態のひとつは、量子スピン液体と呼ばれます。すべての電子はスピンと呼ばれる特性を持ち、スピンは上向きか下向きになります。物質の状態によっては、これらのスピンが一列に並び、同じ方向を向いています。そして一般的に、物質を冷却すると、その電子のスピンはますます一列に並び始めます。しかし、量子スピン液体では、一列に並ぶことはなく、電子は無秩序な状態にあります。

その無秩序さが液体と呼ばれる理由です。固体の分子は整然とした構造で配置されていますが、液体の分子は無秩序に揺れ動いています。しかし、液体を冷却すると固体になりますが、量子スピン液体を冷却しても電子の無秩序さは軽減されないようです。

それは、スピンが大きく異なる方向を向いているだけでなく、スピン同士が相互作用するからです。これにより、電子は電子の一部のように振る舞います。具体的には、マヨラナフェルミオンと呼ばれる奇妙な準粒子のように振る舞います。

マヨラナフェルミオンとは何でしょうか?

通常、電子の反物質の反対は反電子であり、陽子の反物質の双子は反陽子です。つまり、電子が反電子に衝突するか、陽子が反陽子に衝突すると、2 つの粒子は消滅します。これらは反粒子と呼ばれます。1937 年、イタリアの物理学者エットーレ マヨラナは、自分自身の反粒子である粒子、つまりマヨラナ フェルミオンが存在する可能性があると示唆しました。マヨラナ フェルミオンは別のマヨラナ フェルミオンを消滅させることができます。つまり、自分自身の反双子です。すごいと思いませんか?

マヨラナフェルミオンはどこから来るのでしょうか?

電子はマヨラナフェルミオンに分解することができます。

それは意味をなさない！電子は基本粒子なので、一貫した断片に分割することはできないはずだ。

確かにそうです。しかし、特定の物質では、電子スピンが相互作用すると、電子は小さな構成要素に分解されたかのように振る舞います。そのため、正確な数学的予測を行うには、電子の断片、つまりマヨラナフェルミオンを実際の粒子のように扱うのが便利です。しかし、技術的には、それらは非常に複雑なシステムの振る舞いを説明するために使用される理論的な構成にすぎません。そのため、それらは準粒子と呼ばれます。

待ってください、準粒子は実際には存在しないのですか?

そうですね、これは複雑なシステムをモデル化するために使用できる便利な概念です。確かに、小さなピンセットでマヨラナフェルミオンを拾って「ああ、そこにあった」と言うことは決してできません。しかし、マヨラナフェルミオンが存在すると仮定すると、この量子スピン液体のようなシステムの挙動を正確に予測できます。ただ…あまり深く考えすぎないでください。

それで、この実験では、科学者たちはマヨラナフェルミオンが存在するという仮定に基づいて予測を立てたのですか?

その通りです。2014年に研究者たちは、マヨラナフェルミオンを持つシステムで中性子がどのように散乱するかを理論的に予測しました。そして実際に量子スピン液体で中性子散乱を行ったところ、実験結果は予測と一致しました。

頭が痛いです。要約すると何ですか?

科学者たちは、マヨラナフェルミオンと呼ばれる準粒子を含む量子スピン液体と呼ばれる物質の状態の実験的証拠を発見しました。この発見は 40 年前の理論を裏付けるものであり、研究者が量子スピン液体状態の物質を見つけようとするときに調べるべきターゲット物質を提供します。これは、量子力学、超対称性、超伝導を研究する研究者に役立つ可能性があります。そうそう、マヨラナフェルミオンは量子コンピューターの構築にも使用できます。