トリッキーなトリプロン: 科学者が電子のもつれからできた準粒子を使って人工量子磁石を作成

アアルト大学より2023年8月23日

芸術的なイラストは、コバルト フタロシアニン分子の磁気励起を示しており、そこでは絡み合った電子がトリプロンに伝播します。 クレジット: ホセ・ラド/アールト大学

研究グループは、実空間測定を使用して初めて量子もつれ波を検出しました。

トリプロンは扱いにくい小さなものです。 実験的には、それらを観察するのは非常に困難です。 その場合でも、研究者は通常、巨視的な材料に対してテストを実施し、測定値はサンプル全体の平均として表されます。

That’s where designer quantum materials offer a unique advantage, says Academy Research Fellow Robert Drost, the first author of a paper published on August 22 in the journal Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">物理的なレビューレター。 これらのデザイナー量子材料を使用すると、研究者は天然化合物には見られない現象を作り出すことができ、最終的にはエキゾチックな量子励起の実現が可能になります。

「これらの材料は非常に複雑です。 それらは非常にエキサイティングな物理学を提供しますが、最もエキゾチックな物理学は、見つけて研究するのが難しいものでもあります。 そこで、私たちはここで、個々のコンポーネントを使用して人工材料を構築するという別のアプローチを試みています」と、アールト大学の原子スケール物理研究グループの責任者であるピーター・リルジェロート教授は言います。

量子材料は、顕微鏡レベルでの電子間の相互作用によって支配されます。 これらの電子相関は、高温超伝導や複雑な磁気状態などの異常な現象を引き起こし、量子相関は新しい電子状態を引き起こします。

2 つの電子の場合、一重項状態と三重項状態として知られる 2 つのもつれ状態が存在します。 電子系にエネルギーを供給すると、電子系を一重項状態から三重項状態に励起できます。 場合によっては、この励起は、トリプロンとして知られるもつれ波で材料中を伝播する可能性があります。 これらの励起は従来の磁性材料には存在せず、その測定は量子材料において未解決の課題のままです。

新しい研究では、チームは小さな有機分子を使用して、異常な磁気特性を持つ人工量子材料を作成しました。 実験で使用されたコバルトフタロシアニン分子にはそれぞれ 2 つのフロンティア電子が含まれています。

「非常に単純な分子構成要素を使用することで、これまでに行われたことのない方法でこの複雑な量子磁石を設計および調査することができ、独立した部分では見られない現象を明らかにすることができます」とドロスト氏は言います。 「孤立した原子の磁気励起は走査トンネル分光法を使用して長い間観察されてきましたが、伝播するトリプロンによってそれが達成されたことはありません。」

「私たちはこれらの分子を使って電子を束ね、狭い空間に詰め込んで強制的に相互作用させます」とドロスト氏は続けます。 「そのような分子を外側から見ると、両方の電子の結合物理がわかります。 私たちの基本的な構成要素には 1 つではなく 2 つの電子が含まれているため、非常に異なる種類の物理学が見られます。」

研究チームは、まず個々のコバルトフタロシアニン分子の磁気励起を監視し、その後、分子鎖や島などのより大きな構造の磁気励起を監視した。 研究者らは、非常に単純なものから始めて複雑さを増していくことで、量子材料における創発的な挙動を理解したいと考えている。 今回の研究で、研究チームは、それらの構成要素の一重項-三重項励起が、トリプロンとして知られるエキゾチックな磁性準粒子として分子ネットワークを横断できることを実証できた。