化学生物学の教授が、トポロジカル材料において量子力学的な「結び目」を作り上げています。
このプロセスは、大量の情報を保存・処理する量子技術の可能性を解き放つ鍵となり得るとして、ハーバード・ガゼット紙。
また、さまざまな分野で画期的な進歩をもたらす可能性もあります。
人類の歴史を通じて、情報を保存する私たちの取り組みの多くは、結び目や亀甲文字、竹簡の記号から書き言葉に至るまで、突き詰めれば二つの手法に帰着します。すなわち、文字や図形を使って情報を表現することです。今日では、膨大な量の情報が0と1によってシリコンウエハー上に保存されていますが、量子化学と量子物理学の境界にある新素材は、記憶容量の大幅な向上を可能にするかもしれません。
スヤン・シュー、化学生物学の助教授は、トポロジカル材料において量子力学的な「結び目」を作り上げており、それは大量の情報を保存・処理し、さまざまな分野で画期的な進歩をもたらす量子技術の可能性を引き出す鍵となるかもしれません。
「ひもに多くの結び目があるところを想像してください」とシュー氏は述べた。「ひもの形をどれほど変えても、結び目の数――トポロジカル数として知られています――は、結び目を加えたり解いたりして根本的な同一性を変えない限り、変わることはありません。」このような頑健性こそが、トポロジカル材料を特に有用なものにする可能性があるのです。
シュー氏は中国で学部課程を修了し、2008年にプリンストン大学の大学院物理学課程に入学した際、トポロジカル材料に初めて出会いました。当時は材料がまさに作られ始めた時期でした。シュー氏の研究関心は、トポロジカルや対称性の破れた状態など、量子物質の電子的・光学的性質にあります。
トポロジカル材料は、摩擦や損失なしに表面や端に沿って電子を移動させるため、量子コンピューターのような超高速エレクトロニクスに有望な材料です。こうしたデバイスは、「量子ビット」と呼ばれる量子ビットが量子状態の二つの性質――重ね合わせと量子もつれ――を利用して情報を符号化するため、既存のコンピューターよりも強力になる可能性があります。
しかし、量子状態は繊細で、摂動を受けるとデコヒーレンスを引き起こし、同期を失い、保存された情報が失われる可能性があります。トポロジカル材料は頑健で摂動に対して耐性があるため、より強靭で長寿命の量子ビットを構築するために使える可能性があります。
シュー氏の物理学の背景と実験化学の経験により、現実世界で量子理論を検証することが可能になっています。「物理学者も化学者もどちらも材料を研究しますが、物理学者は材料を抽象的な方程式として見る傾向がある一方、化学者はその創発的な性質に取り組みます」とシュー氏は述べた。「私は純粋な物理学の背景を持ち、化学の言語を話せるので、難解な理論を実空間に置き換えることができます。」
いくつかの合理的な仮定と革新的な手法を用いて、シュー氏と研究チームは量子物理学と化学の間のギャップを埋め、材料を使って理論を検証しています。まず、トポロジカルな性質を実現する可能性のある材料を予測します。そのような材料の元素の化学式だけでは十分な洞察は得られません。シュー氏はその巨視的性質にも関心を持っています。
「水、水蒸気、氷を、H20の式だけを見て研究していたら、それぞれの性質の違いについては何も学べないでしょう」とシュー氏は述べた。「化学者として、私は特定の元素を見つけ、それらを微視的に配置して、トポロジカルな性質を生み出せるようにしようとしています。」
シュー氏の研究室では、次に化学反応に関する現行の理論を実験データと照合し、トポロジカル材料の地図を拡大しています。原子や分子が絶対零度のすぐ上まで冷却され、高度に制御可能になり、より観測しやすくなる専用の冷凍装置を用いて、シュー氏と研究チームは電流によって材料中を流れる電子の動きを検証します。
チームは材料の光学的性質にも関心を持ち、光との相互作用を検証しています。研究チームは材料に光子を照射し、光が散乱、反射、透過する仕方に基づいて量子力学的なトポロジカルデータを収集します。シュー氏はすでに、量子科学における最も厄介な問題の一つに答える理論上の粒子について、強力な証拠を得ています。
「私は純粋な物理学の背景を持ち、化学の言語を話せるので、難解な理論を実空間に置き換えることができます。」――スヤン・シュー
昨年、『Nature』誌に掲載された研究では、シュー氏と研究チームは、物理学者フランク・ヴィルチェックが提唱した理論上の素粒子であるアクシオンの性質の研究に取り組みました。このノーベル賞受賞者は、量子色力学における複雑で高度に専門的な強電荷パリティ問題を、理論と観測の間の隙間を埋めることで「洗浄」したため、この粒子に洗剤のブランド名を付けました。
さらに、アクシオン状態に関する最も魅力的な予測の一つは、それを用いて磁化を制御できる可能性があるということです。磁性と磁性材料は数多くの応用の中核にあるため、これは技術のあらゆる分野に革命をもたらす可能性があります。
アクシオン絶縁体と呼ばれるトポロジカル材料の一種において、シュー氏のチームはアクシオンの振る舞いをシミュレートしようとしました。アルゴン環境でデュアルゲート型のMnBi2Te4デバイスを作製し、その電気的・光学的性質を測定して、トポロジカル材料の豊かな内部構造を検出・操作する新たな経路を明らかにしました。
「アクシオン絶縁体の状態を支持できる実在の材料を発見しました」とシュー氏は述べた。「その材料が、電気と磁気の間の強い結合という予測された性質を持つことを確認しました。」
理論上の粒子について証拠を示したシュー氏は、ワイル半金属のスピン特性を研究する計画です。ワイル半金属は、素粒子物理学と深い類似性を持つ異例の電子構造を備え、独特なトポロジカル特性をもたらす新たな物質の状態です。
