2Dでも3Dでもない、奇妙な「超次元」状態の物質

物質の新しい量子状態は、あたかも 2 次元または 3 次元の空間の世界に完全には属していないかのように動作し、これまで観察されていなかった電子の移動方法を明らかにします。

物理学者は、物質内で電子がどのように移動するかに基づいて物質の状態を分類します。この動きは、材料の原子の配置などの多くの要因に依存します。

薄い材料が磁場に浸されると、その電子は小さな円を描き、そこからの電流は材料の側面に押し出されます。これはホール効果として知られています。磁性のあるマテリアルの場合、電子的な動作はより複雑になり、この効果のさまざまなバージョンが生じます。

中国の南京大学の Lei Wang とその同僚は、予期せず、超次元異常ホール効果 (TDAHE) と呼ばれるこの現象の新しいバージョンを発見しました。

研究チームは、完全に効率的な電流を形成することを期待して、ダイヤモンドパターンに配置された炭素原子でできた薄い材料内の電子を研究しました。しかし、材料を磁場に浸すと、電子は奇妙な反応を示しました。

「ADHD はまったくの驚きでした。これまで他の資料では見られなかった現象であり、どの理論もそれを予測していません」とワン氏は言います。 「生データを測定してから約1年かかりました」 [trying] それを理解するために。」

特に研究者らを驚かせたのは、2つの異なる相互に垂直な磁場が印加されたときに、その材料が一種のホール効果を示したことだった。これは、材料が薄すぎて両方に対応できないと想定されていたにもかかわらず、電子が水平方向と垂直方向の両方でループ運動を実行できることを意味します。

ワン氏らは当初、何らかの実験ミスが原因だと考えていたが、その後のいくつかの実験で測定値が正しかったことが確認されたと述べた。さらに多くの材料サンプルを作成してテストしたところ、同じことがわかりました。彼らは、厚さが 2 ～ 5 ナノメートルの炭素材料の破片については、電子が単に何か新しいことをしているだけだと結論付ける必要がありました。

これらの厚さは材料を完全に二次元または三次元にするわけではないため、研究チームはそれに応じて新しい電子状態を名前付けしました。どういうわけか、それは二次元と三次元の領域の橋渡しにはならない、とワン氏は言う。 「これは、少し 2D であり、少し 3D でもありません。『超次元』を使用することで、これまでに研究された 2D または 3D のケースに属さない、新しい体制が存在することを表現したいのです」と彼は言います。

カリフォルニア大学サンタバーバラ校のアンドレア・ヤング氏は、この新しい状態を際立たせているのは、電子状態の数学的表現が3つの異なる点で対称性を欠いていることであり、これは同様の状態と比べて斬新である、と述べている。彼の見解では、これは素材の寸法よりも決定的な特性であり、その厚さは目的を達成するための単なる手段にすぎないと彼は言います。

ヤング氏は、この新しい状態は「クォーターメタル」の一種、つまり、従来の金属と比べて対称性の欠如により電子のできることが制限される金属と考えることができると述べている。

ワン氏のチームは現在、他の物質で超次元物理学と呼ばれるものを探し、ダイヤモンドベースの磁場センサーなどのより多くの機器を使用して、新しい状態についてさらに学びたいと考えている。