からみあう電子たち ー電子回路の中の量子液体

小林研介(知の物理学研究センター/物理学専攻 教授)

 


量子液体は,粒子が一個だけの場合からは想像もつかないような劇的な性質を示すことがある。 例えば,超伝導や超流動は,粒子の集団が一体となって一つの状態を自発的に作り出すことによって引き起こされる量子液体ならではの現象である。このような量子液体の多彩な性質は長年にわたって多くの物理学者を惹きつけてきた。実は,わたしたちの身近にある金属中の自由電子の集団も量子液体である。金属は電気や熱の良導体であるが,この性質は自由電子の集団が量子液体として振る舞う結果なのである。

量子液体の性質に大きな影響を与える要素の一つに近藤効果がある。電子は電荷とは別にスピンという自由度も持つ。近藤効果はその二つが結びついて生じる一風変わった現象である。その特徴はスピンを利用して電子と電子の間に強い相互作用(量子多体効果)が生じることにある。この現象は1964年に我が国の近藤淳博士によって初めて解明された。近藤効果によって「局所フェルミ液体」と呼ばれる量子液体の一種が作られる。

図:(左)カーボンナノチューブ分子一個(破線で囲まれた部分)で作られた人工原子回路の電子顕微鏡写真。
(右)人工原子回路に形成された量子液体の概念図。
 

わたしたちはナノテクノロジーを用いて作製される極小の電子回路を使った研究を行ってきた。人工原子と呼ばれる電子回路(図。大きさ約1ミクロン,髪の毛の太さの100分の1程度)では,その中に含まれる電子の個数を文字通り一個ずつ制御することができる。さらに,電子の個数をうまく調整すると近藤効果を実現することができる。このとき,近藤効果の原因となるスピンはたった一個だけであるが,その周りにたくさんの電子が集まった量子液体が形成されている。

量子液体の中で電子同士はお互いに相関を持って(からみあって)運動している。そのからみあいの強さが液体らしさを表している。わたしたちは人工原子に形成された量子液体の電気抵抗を測定することによって,電子同士のからみあいを検出した。電子2個のからみあいを表す二体相関と呼ばれる量については以前から知られていたが, わたしたちは電子3個のからみあいである三体相関を検出することに初めて成功した(図)。さらに,量子液体が平衡状態にある時よりも,非平衡状態の時の方が,三体相関が強くなることを見出した。 このことは,量子液体が止まっている場合よりも,流れている場合(非平衡)の方が,電子同士のからみあいが強くなり量子液体の粘性が高くなることを意味している。

量子液体は長年にわたって研究されてきたテーマであるが,その全貌はまだ明らかになっていない。特に,非平衡状態についての理解は発展途上の段階にある。わたしたちの研究は,電子回路を用いることによって,非平衡状態にある量子液体の振る舞いという根源的な問題に迫れることを示している。

本研究成果は T. Hata et al ., Nature Communications 12, 3233 (2021) に掲載された。

(2021年5月28日プレスリリース)

理学部ニュース2021年9月号掲載


 

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