珍しい物質で作られたヒッグス粒子のような状態

物質の個性を理解したいなら、その電子を研究しましょう。食塩が立方晶系を形成するのは、その原子が電子を共有しているためです。銀が輝くのは、電子が可視光を吸収し、それを再放射するからです。電子の挙動は、硬度、導電性、融点など、物質のほぼすべての特性に影響を与えます。

クアンタマガジン

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

最近、物理学者たちは膨大な数の電子が集団的な量子力学的挙動を示す仕組みに興味をそそられています。物質によっては、結晶内の1兆兆個の電子が、まるで洪水を生き延びるために一つの塊に集まるヒアリのように、一つのユニットとして振る舞うことがあります。物理学者たちがこのような集団的挙動を解明しようとするのは、電気が抵抗なく流れる超伝導といった特異な性質との関連性を示唆しているからです。

昨年、2つの独立した研究グループが、電子が集合的にヒッグス粒子を模倣できる2次元反強磁性体と呼ばれる結晶を設計した。研究者たちは、この挙動を精密に研究することで、物質を支配する物理法則をより深く理解し、新たな物質状態を発見できる可能性があると考えている。研究者たちがこれらの物質でこのような「ヒッグスモード」を誘起できたのは、これが初めてだ。「小さなミニ宇宙を作り出しているようなものです」と、オークリッジ国立研究所の物理学者デビッド・アラン・テナント氏は述べた。テナント氏は、同僚のタオ・ホン氏と共に研究グループの一つを率いた。

両研究グループは、物質に中性子を照射することで、電子をヒッグス粒子のような活動に誘導しました。これらの微小衝突の間、電子の磁場は数学的にヒッグス粒子に似たパターンで変動し始めます。

ヒッグスモードは単なる数学的な好奇心ではありません。結晶構造が電子のこのような振る舞いを許容する場合、その物質は他の興味深い特性を持つ可能性が高いと、マックス・プランク固体研究所の物理学者で、もう一方のグループの共同リーダーを務めるベルンハルト・カイマー氏は述べています。

ヒッグスモードが出現するということは、物質がいわゆる量子相転移の瀬戸際にあることを意味するからです。物質の性質は、晴れた春の日に砕けた雪玉のように、劇的に変化しようとしています。ハーバード大学の物理学者、スビル・サッチデフ氏は、「ヒッグスは量子相転移の性質を理解するのに役立つ」と述べています。これらの量子効果は、しばしば奇妙な新しい物質特性の前兆となるのです。

例えば、物理学者たちは、表面のみで電気を伝導し、内部では伝導しないトポロジカル絶縁体と呼ばれる特定の物質において、量子相転移が重要な役割を果たしていると考えています。研究者たちは高温超伝導体においても量子相転移を観察していますが、その意義は未だ解明されていません。従来の超伝導体では、このような効果を観測するために絶対零度近くまで冷却する必要がありますが、高温超伝導体は液体窒素という比較的温暖な環境、つまり数十度も高い温度で動作します。

ここ数年、物理学者たちは他の超伝導体においてもヒッグスモードを生成してきましたが、そこで何が起こっているのかを必ずしも正確に理解できているわけではありません。ヒッグスモードの研究に用いられる典型的な物質は複雑な結晶構造を持ち、それが作用する物理現象の理解をさらに困難にしています。

そこで、ケイマーとテナントの両グループは、より単純な系でヒッグスモードを誘起しようと試みました。彼らの反強磁性体はいわゆる2次元物質でした。個々の結晶は3次元の塊として存在しますが、それらの塊は、多かれ少なかれ独立して作用する2次元の原子層が積み重なって構成されています。やや逆説的ですが、これらの2次元物質でヒッグスモードを誘起することは、実験的に非常に困難な課題です。物理学者たちは、それが実現可能かどうか確信が持てませんでした。

しかし、実験の成功は、既存の理論的ツールを用いてヒッグスモードの進化を説明できることを示しました。ケイマー氏のグループは、ヒッグスモードがヒッグス粒子の挙動と類似していることを発見しました。大型ハドロン衝突型加速器のような粒子加速器内では、ヒッグス粒子は光子などの他の粒子に急速に崩壊します。ケイマー氏の反強磁性体では、ヒッグスモードはゴールドストーン粒子と呼ばれる粒子に似た、異なる集団電子運動へと変化します。グループは、ヒッグスモードが理論予測通りに進化することを実験的に確認しました。

テナント氏の研究グループは、物質が消滅しないヒッグスモードを生成する方法を発見しました。この知見は、他の物質において超伝導などの量子特性を発現させる方法の解明に役立つ可能性があります。「私たちが理解したいのは、システムにおいて量子挙動を維持する方法です」とテナント氏は述べました。

両グループともヒッグスモードを超えることを目指している。カイマー氏は、反強磁性体における量子相転移を実際に観測することを目指しており、この転移にはさらなる奇妙な現象が伴う可能性がある。「これはよくあることです」と彼は言う。「特定の量子相転移を研究しようとしても、別の現象が突然現れるのです。」

彼らはただ探求したいだけなのです。ヒッグスモードには、物質のより奇妙な性質が関連しているのではないかと期待しています。もしかしたら、まだ想像もつかないような性質かもしれません。「私たちの脳は量子系に対する自然な直感を持っていません」とテナント氏は言います。「自然を探求することは驚きに満ちています。なぜなら、そこには私たちが想像もしなかったものが満ちているからです。」