反強磁性体でトポロジカル準粒子状態を観測―将来の省エネ情報伝達物質の開発に道：東北大学/東京工業大学/日本原子力研究開発機構/J-PARCセンター
(2019年5月10日発表)
東北大学と東京工業大学、日本原子力研究開発機構、J-PARCセンターの共同研究グループは5月10日、反強磁性体の塩化ケイ酸バリウム銅（Ba2CuSi2O6Cl2）という物質で、トポロジカル準粒子と呼ばれる状態を観測したと発表した。将来の画期的な省エネルギー情報伝達物質の開発に繋がる成果という。
形や図形を連続的に変形できるか否かによって分類する学問をトポロジーといい、近年、物質の性質をトポロジカルな特徴から理解しようという研究が急速に発展している。
トポロジカル物質あるいはトポロジカル絶縁体と呼ばれる物質では、その内部と外部の境界に端状態（エッジ状態）と呼ばれる特別な状態が現れ、そこでは電子などの集団が生み出す仮想的粒子の「準粒子」が無散逸（むさんいつ）で伝達されたり、物質表面にエネルギー散逸の無い電子流が生じたりすることが知られている。
トポロジカル物質を理解するうえで広く受け入れられている模型にSSH模型という理論があるが、これまで、この模型で示されるトポロジカル磁気準粒子状態を実際に観測した例は無かった。
研究グループは今回、Ba2CuSi2O6Cl2（塩化ケイ酸バリウム銅）の単結晶試料を作製し、J-PARCの中性子非弾性散乱分光器を用いてトリプロンという準粒子を詳細に調べ、Ba2CuSi2O6Cl2においては、トリプロン準粒子のSSH模型が実現していること、さらに、トリプロンの波動関数がトポロジカルな性質を持っており、端状態が存在することを突き止めた。
現実の磁性体においてSSH模型との対応が示されたのはこれが初めて。トリプロンは熱を運ぶ性質がある。熱は電気伝導とは異なりジュール熱によるエネルギー損失がないことから、将来的には新しい省エネルギー情報伝達材料の開発に繋がることが期待されるという。
