FSU物理学者が電子の新規量子相、固体と液体の遷移を伴う一般化ウィグナー結晶を発見

フロリダ州立大学（FSU）の研究チームは、電子が結晶の固体状態と流体的な運動の間を遷移する、既存の量子理解に挑戦する新たな量子相を特定しました。この成果は、査読付きジャーナルであるnpj Quantum Materialsに詳述されています。

この研究は、電子が結晶格子内に存在しながらも液体状態へ「融解」する相の安定化に必要な条件を提示したものであり、この相は一般化されたウィグナー結晶として知られています。この発見を主導したのは、FSUのCyprian Lewandowski助教授、Hitesh Changlani准教授、およびNational High Magnetic Field LaboratoryのDiracポスドク研究員であるAman Kumar氏らの研究チームです。

発見の核心は、1934年にEugene Wignerによって提唱された理論的枠組みである一般化されたウィグナー結晶に関連しています。Wignerの理論は、低密度下で電子ガスが結晶構造を形成することを示唆していました。FSUチームは、特定の量子的な調整を行うことで、秩序だった電子格子が融解し、電子が自由に動く液体相になることを計算上で実証しました。

特筆すべきは、一部の電子が固定されたままで他の電子が活発に動く中間的な「ピンボール」状態を特定した点です。このハイブリッド状態は、絶縁体と導体の両方の挙動を同時に示す、新規の量子力学的効果として報告されました。

研究チームは、厳密対角化やモンテカルロシミュレーションといった高度な計算手法を駆使し、2次元のモアレ超格子における相互作用を調整することで、固体的な振る舞いと流体的な振る舞いの電子の共存を明らかにしました。従来のウィグナー結晶が三角形の格子構造のみを示すのに対し、一般化されたウィグナー結晶は、ストライプ状やハニカム構造など、多様な結晶形状を許容します。

産業界では、この電子相を調整する能力が、特に耐故障性量子コンピューター向けの安定した量子ビット開発や、低エネルギーのスピンエレクトロニクスの進歩に大きな影響を与えると予測されています。この研究は、極低温を必要とせずに複雑な量子効果を観察できる可能性を示唆しており、室温での量子現象や高性能超伝導体のブレークスルーへの道を開く可能性があります。

Wignerの理論が1934年に遡る中で、その融解の実験的記録は長らく困難でしたが、本研究は電子が結晶状態から液体状態へと移行する現象を文書化する重要な一歩となります。FSUは、この分野でのリーダーシップを強化するため、2023年4月には量子科学と工学に3年間で2000万ドル以上を投資すると発表しています。