本記事は ETH Zurichとの共同で発表されたものです。
長年知られてきた金属材料の特異な性質を研究する中で、研究者たちは新たな粒子を偶然発見した。この粒子は、約90年前に数学者ヘルマン・ワイルが予言した、いわゆるワイル・フェルミオンに関連している。ワイルはこの粒子を見落としていたが、エレクトロニクスにおいて興味深い応用の可能性を持つ可能性がある。
タイプ2ワイル・フェルミオンのエネルギースペクトル（右）は、従来のワイル・フェルミオン（左）とは対照的に対称ではない。これにより、タイプ2ワイル・フェルミオンには方向に依存する電磁気的性質が生じる。（画像：Soluyanov et al. Nature 2015）
1928年秋にETH教授のヘルマン・ワイルがプリンストン大学で1年間の客員教授に着任した際、量子物理学者ポール・ディラックは、電子に関する有名な方程式を発表したばかりだった。その方程式は、半整数スピンを持つ量子粒子、いわゆるフェルミオンの性質を記述したものであり、その予測（反物質の存在もその一つ）は現代素粒子物理学の時代を切り開いた。ワイルは、原理的にはディラック方程式が質量のない粒子の解も許容することに気づいた。1929年、彼は半整数スピンを持つこれらの無質量粒子を記述する論文を発表した。これらの粒子は後に「ワイル・フェルミオン」と呼ばれるようになった。
ETHの物理学者たちは、プリンストン大学および中国科学院の研究者らと共同で、これまで知られていなかった粒子を発見した。その粒子は、著名な先達が計算で見落としていたもので、その後ほぼ90年間検出されずにいた。研究者らはこれを「タイプ2ワイル・フェルミオン」と命名した。
新たな物質特性の探索
研究者らは、タングステン二テルル化物（WTe2）の奇妙な物理的特性を理解しようとする過程で、この新しい種類の粒子に行き着いた。「私たちは、この金属材料において、特定の量子状態を摂動に対してより強固にする、いわゆる『トポロジカル』な特性を見出したいと考えていました」と、ETH Zurichの計算物理学グループの研究者であるAlexey Soluyanov氏は説明する。
金属結晶の物理特性をシミュレーションするため、研究者らは Swiss National Supercomputing Centre（ CSCS ）および中国科学院のスーパーコンピュータ上で、200,000時間の計算を実行した。この結論に至るまでには、数週間にわたる詳細な導出と計算が必要だった。研究者らは、全く新しいものを発見したに違いないと結論づけた。すなわち、タングステン二テルル化物の結晶内には、これまで知られていなかった種類のフェルミオン、タイプ2ワイル・フェルミオンが存在するに違いなかったのである。
まず理論で、その後実験で検出される
当初、「通常の」ワイル・フェルミオンもまた理論上のみ存在するものであった。長い間、ニュートリノがワイル・フェルミオンである可能性があると考えられていたが、その後研究者らは、ニュートリノがわずかではあるが質量を持つことを突き止めた（その発見に対して今年のノーベル物理学賞が授与された）。それでも物理学者たちは、ワイル・フェルミオンが、結晶内で多数の電子が原子核と相互作用して形成される集合状態（すなわち準粒子）として、いわゆる半金属に存在しうると信じ続けていた。
ついに今年7月、プリンストンでは、ヘルマン・ワイルがかつて理論的に予言した無質量フェルミオンが、同時に北京でも実験的に検出された。研究者らは砒化タンタル結晶において、ワイル・フェルミオンに期待される性質をそのまま備えた準粒子を発見した。質量がないことは、とりわけ、極めて高速に移動でき、結晶内の障害物によって妨げられないことを意味する。科学者たちは既に、これが電子デバイスにまったく新しい可能性を開きうると推測している。
存在するはずのない粒子
今回理論的に見出されたタイプ2ワイル・フェルミオンは、従来のワイル・フェルミオンとは決定的な一点で異なる。すなわち、本来そもそも存在しないはずなのである。少なくとも、ヘルマン・ワイルと同様に、フェルミオンはアルベルト・アインシュタインの特殊相対性理論の規則に従わなければならず、したがっていわゆるローレンツ対称性を保存しなければならないと仮定するならば、そうである。「自然界において」、粒子は確かにこれらの規則に従わなければならない。しかし、結晶という人工的な世界では、ローレンツ対称性が破れることがあり、その結果、電子がとりうるエネルギー状態は、通常のワイル・フェルミオンを形成するものとは明確に異なるものとなる。
これらの特異なエネルギー状態は、今度は、タイプ2ワイル・フェルミオンを含む物質に奇妙で、場合によっては有用な性質を与えうる。例えば、磁場の影響下で特定の方向にのみ電流を流す能力などである。これらの性質が実用に耐えうるかどうかは、今後の検証に委ねられている。「現時点では、この新しいワイル・フェルミオンは物理学的な奇妙さに過ぎません」とソルヤノフ氏は認める。「しかし非常に刺激的なものであり、応用の可能性は確かにあります」。いずれにせよ、科学者たちは今や、数十年を経て、ヘルマン・ワイルの研究をついに完結させたのである。
参考文献
Soluyanov AA, Gresch D, Wang Z, Wu QS, Troyer M, Dai X, Bernevig BA: Type II Weyl Semimetals. Nature, 2015年11月25日, doi: 10.1038/nature15768
本記事の掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Oliver Morsch氏は ETH Zurich のライターです。
画像：技術スペシャリストがスライドを見ている。EALTH-SEQUENCING/REUTERS/Jim Young.
