・量子ホール状態において異方的なスピン励起を観測
・スピン軌道相互作用の強いディラック半金属に特有の準粒子
静岡大学理学部の清水康弘教授の研究グループは、名古屋大学大学院理学研究科の小林義明准教授・松下琢講師の研究グループと共同で、相対論的な運動方程式に従うディラック電子の量子化に伴う特異な磁気励起の観測に成功しました。
本研究は、核磁気共鳴法(NMR)を用いて、量子ホール状態のバルク磁気励起を初めて明らかにしました。グラフェンなどの電子の有効質量がゼロに近いディラック半金属では、弱い磁場で電子の軌道運動のランダウ量子化が起きますが、相対論的な効果であるスピン軌道相互作用(SOC)の影響は未解明でした。同研究グループは、SOCの大きなビスマス化合物において、NMRで電子スピンの低エネルギー励起を調べた結果、極低温下の量子化によってスピン励起が100倍以上増大することを見つけました。この結果は、SOCの弱いグラフェンの模型とは異なり、スピン分極の根拠を与えるものです。
本研究で得られた研究成果は、電荷、スピン、バレーの自由度をもつディラック電子の性質を調べる上で新たな手法を提供するものです。これまで、電荷をみる手法が主流でしたが、スピン反転を直接観測するNMRが有効であることを新たに示したことで、今後次世代エレクトロニクスの制御・計測手法へと発展していくと期待されます。
なお、本研究成果は、2026年3月10日に、アメリカ物理学会の発行する国際雑誌「Physical Review Letters」に掲載されました。
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・ディラック半金属
相対論的な素粒子の運動方程式はディラック方程式とよばれ、場の量子論の基礎となる。ディラック半金属は、エネルギーと波数が線形関係にある金属で、電子の集団運動(準粒子)はディラック方程式に従う。二つの線形分散の交点(ディラック点)では、電荷の有効質量がゼロとなる。波数空間内でディラック点が縮退した状態をバレー(縮退)とよぶ。磁場中では、電子の軌道運動のエネルギーが量子化(ランダウ量子化)され、とびとびの値をとることで、多くの電子のエネルギーが縮退する。通常の金属では強い磁場が必要だが、ディラック半金属では弱い磁場でも量子化が起きる。
・核磁気共鳴法(NMR)
磁場中の核スピンにラジオ波を共鳴吸収させて、原子核まわりの磁場を精密に測定する分光法。核スピンが吸収した電磁波のエネルギーは、周囲の電子スピンの反転(スピン格子緩和)に使われる。金属の緩和率は、電子スピン濃度の2乗に比例する。
・量子ホール効果
二次元面内に電子の運動が制限された状態で、垂直方向に磁場をかけると、ランダウ量子化した電子の円軌道は局在する。試料の端を動く電子のみが端で跳ね返され、無散逸の電流が一方向に流れる。このとき電流の垂直方向のホール電圧はとびとびの値をとるため、量子ホール効果とよばれる。量子位相が顕著に物性に現れるトポロジカル状態のひとつであり、量子エンタングルメントを実験的に調べる上でも重要な舞台となっている。
掲載誌名: Physical Review Letters
論文タイトル: Condensed spin excitation of quantized Dirac fermions in the quasi-two-dimensional semimetal BaMnBi2
著者: Masashi Kumazaki, Azimjon Temurjonov, Takaaki Jinno, Yukihiro Watanabe, Taku Matsuhita, Yoshiaki Kobayashi, Yasuhiro Shimizu
DOI: https://doi.org/10.1103/kx86-56ww
https://www.phys.nagoya-u.ac.jp/docs/pamphlet/I.pdf
