ジュネーブ大学（UNIGE）、サレルノ大学、そしてCNR-SPIN研究所の研究者たちは、量子材料における基本的な幾何学的性質に関する実験的証拠を発表しました。2025年に科学誌『Science』に掲載されたこの発見は、電子が量子材料内を移動する際の軌道が、重力が光を歪めるように曲がる様子を明らかにしています。この進歩は量子物理学の新たな側面を照らし出し、次世代電子デバイスの開発を加速させる可能性があります。
この発見の中心となるのは「量子計量」と呼ばれる概念で、これは電子が存在する量子空間の曲率を定量化するものです。従来の量子力学が波動関数と確率で粒子挙動を記述するのに対し、量子計量は波動関数に影響を与える隠れた幾何学的構造を明らかにします。この幾何学的側面は20年以上前から理論的に提唱されていましたが、今回初めてその実世界での影響が実験的に検出され、物性物理学における重要な節目となりました。研究チームは、酸化物であるチタン酸ストロンチウム（SrTiO₃）とアルミン酸ランタン（LaAlO₃）の界面に焦点を当て、強力な磁場を印加することで電子の軌道を意図的に歪ませました。この操作により、これまで検出が困難であった量子計量の微妙かつ決定的な影響が露わになり、電子輸送メカニズムに対する新たな視点を提供しました。
この発見は、超高速コンピューティングやエネルギー効率の高い電力伝送を実現する材料設計において極めて重要です。一般相対性理論における重力質量が時空を歪ませるのと同様に、量子計量は電子が占める抽象的なヒルベルト空間を歪ませ、その運動と相互作用に影響を与えます。この概念転換は、テラヘルツ周波数帯で動作する高度な通信や量子情報処理に不可欠な、これらの固有の材料特性を活用するデバイス開発への道を開きます。さらに、電子のスピンと運動方向を結びつける「スピン運動量ロッキング」は、この幾何学的枠組みの重要な要素であり、現在の半導体技術を超えるスピントロニクスデバイスの実現に貢献する可能性があります。
量子計量の概念は約20年前に理論化されて以来、物質の性質に深く関わることが示唆されてきました。今回の実験的検証により、量子計量が単なる数学的興味ではなく、多くの量子材料に固有の性質であることが実証されました。この発見は、材料設計において量子幾何学的な効果を考慮する必要があることを示唆しており、特にフラットバンド超伝導体における遷移温度の向上や、非線形輸送現象、異常ランドー準位といったさらなる応用が期待されています。研究者たちは、この発見が量子材料の特性をより正確に評価するための新たなツールを提供し、将来の技術革新の基盤となると考えています。