せめぎ合う质量をもたない电子 相互作用が织りなす多彩な竞合现象の解明
分子性結晶 α-(ET)2I3 におけるディラック電子の速度の増大
結晶中に存在する電子の「エネルギー」（縦軸；単位はミリ電子ボルト）と、電子の取りうる運動状態を現す「波数」という量（横軸；単位はオングストローム（? = 10-10 m）の逆数）の関係を表した図。電子間に電気的な相互作用がない場合（半透明な灰色円錐状分布）に比べ、相互作用がある場合（内側のひしゃげた円錐状分布）には、電子の速度（= 円錐斜面の傾き）が斜面の場所によって異なる速度の増大を示すことがわかる。虹色のスペクトルは、結晶内で信号が強くなる電子（赤；円錐の急斜面に集中）と弱くなる電子（青；なだらかな斜面に存在）の分布を示している。
© 2016 Michihiro Hirata.
东京大学大学院工学系研究科の鹿野田一司教授、宫川和也助教らの共同研究グループは核磁気共鸣という电子の挙动をミクロに観测できる実験手法により、质量のない（质量ゼロ）ディラック电子と呼ばれる特殊な电子集団の异常な振る舞いを明らかにしました。
真空中に静止した电子は一定の质量をもつことが知られています。一方、物质中の电子は、物质の结晶构造や元素组成などによって决まるさまざまな大きさの见かけ上の质量（有効质量）をもつことになり、特定の条件がそろったときには、あたかも质量がないかのように振舞うことがあります。このように质量のない特异な粒子のことを「质量ゼロのディラック电子」と呼び、その新奇な物理特性が基础?応用の両面から盛んに研究されています。この特殊な电子は、グラフェン中で10年ほど前に初めて确认され、その后、表面のみ金属的な伝导特性を示す特殊な絶縁体やその类縁物质、さらには分子性结晶中などでも见つかり、「ディラック物质」の科学として、近年、新たな広がりを见せています。
中でも、质量ゼロのディラック电子间の电気?磁気的な相互作用は、通常の金属や半导体中の有限质量をもった电子间のそれとは着しく异なる特质を持もつことが予想され、そのため、普通の物质とは全く异なる电子の集団的挙动が期待されます。実际、たとえばグラフェンにでは、电子の相互作用の结果、物质内を动き回る电子の速度が（通常とは逆に）异常に増す现象が确认されています。しかし、グラフェンでは本质的に电子间の电気?磁気的な相互作用が弱く、ディラック物质における电信の集団的な挙动の多様性については、実験的にまだ十分に理解が进んでいません。
今回、共同研究グループは、グラフェンに比べて物质内の电子の相互作用が强い（电子相関の强い）质量ゼロのディラック电子を内包する分子性结晶に着目し、电子のミクロな磁気的な特性を评価するための核磁気共鸣测定と、それを补完する理论的な计算を行いました。その结果、强い电気的な反発によって、电子の速度が増えるほか、电子のもつ小さな磁石（スピン）の一部が磁场と反平行にそろおうとするフェリ磁性が生じることを、実験と理论の両面から初めて明らかにしました。
「この结果は、质量ゼロのディラック电子の集団が、従来知られているよりもずっと多彩な集団的な挙动を示しうることを実験的に示した初の事例です」鹿野田教授は説明します。「今后、电気?磁気的な相互作用を轴に、この特殊な电子からなる物质の社会のさらなる多様性を探索していく上で、重要な知见となると考えています」と続けます。
なお、本研究はフランスのグルノーブル国立科学研究センターの平田倫啓博士（日本学術振興会海外特別研究員（当時）／現在は東北大学金属材料研究所助教）、Claude Berthier研究員、Denis Basko研究員、東京大学大学院工学系研究科の石川恭平大学院生（当時）、東京理科大学理工学部の田村雅史教授、そして名古屋大学大学院理学研究科物質理学専攻の松野元樹大学院生、小林晃人准教授らと共同で行ったものです。
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论文情报
, "Observation of an anisotropic Dirac cone reshaping and ferrimagnetic spin polarization in an organic conductor", Nature Communications Online Edition: 2016/08/31 (Japan time), doi:10.1038/ncomms12666.
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