元スレ【物性物理/量子力学】金属と絶縁体の狭間に量子臨界現象発見 - 東大など

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1 = :

掲載日：2015年2月17日
http://news.mynavi.jp/news/2015/02/17/046/

　金属と絶縁体の狭間で電子が織りなす相転移の量子臨界現象を、東京大学大学院工学系研究科の古川哲也
(ふるかわてつや)博士、宮川和也(みやがわかずや)助教、鹿野田一司(かのだかずし)教授らが実験で初めて
発見した。3種類の結晶で確認し、量子臨界現象の普遍性も示した。量子臨界領域が持つ大きな量子揺らぎを背景に、
新しい電子状態、物性機能を開拓する突破口になりそうだ。埼玉大学の谷口弘三(たにぐちひろみ)准教授、
理化学研究所の加藤礼三(かとうれいぞう)主任研究員らとの共同研究で、2月10日の英科学誌
ネイチャーフィジックスのオンライン版に発表した。

　粒子と波の両面を兼ね備えた電子は電荷を持ち、物質の中で互いに反発し合う。反発力が大きいと、電子は粒子として
自由に動けず、モット絶縁体と言われる状態になる。一方で反発力が小さくなると、電子は波として自由に動くようになり、
絶縁体から金属へと性質を劇的に変える。これをモット転移と呼ぶ。近年、モット転移の量子臨界現象(電子の集団が
量子揺らぎを持つ特異な臨界流体)が理論的に予言され、その検証が待ち望まれていた。

　研究グループは3種類の異なる分子性結晶(分子を構成単位とする結晶で、圧力変化などに応答しやすい)の電気抵抗を
測定し、各物質の電気抵抗が量子臨界現象に特有の法則を高い精度で満たしていることを示し、モット転移の量子臨界現象を
初めて実証した。今回調べた3種類の結晶は、絶対温度25度程度より低い極低温では、物質ごとの個性を反映した多様な
金属か絶縁体のいずれかに陥った。これに対し、絶対温度数十度に上げて圧力をかけると、一定の低温・圧力領域で
量子臨界現象になることを見いだした。

　研究に使った3種類の分子性結晶は極低温領域でそれぞれ、金属、超伝導、反強磁性秩序状態、スピン液体など異なる
状態になり、加圧でモット転移を起こすことが知られていた。物質ごとの個性が際立って現れる極低温領域の状態とは
対照的に、絶対温度数十度、高圧で起きる量子臨界現象は物質によらないことを突き止めた。

　分子性結晶中の電子の集団は、極低温から絶対温度数十度まで上げると、普遍的な性質を反映するようになる新事実に
ついて、研究グループは「物質科学や物理学全般に適用できる概念」と提唱した。この実験結果を動的平均場理論の予測と
比較したところ、量子臨界現象を特徴づける臨界指数がほぼ一致し、この分野の理論研究にも重要な指針を提供した。

　難しい話なので、鹿野田一司教授に詳しく解説してもらった。「量子臨界現象は、水が蒸発して水蒸気になるときの
相転移に似ている。水蒸気と水は気体と液体という異なる状態だが、臨界温度(374℃)以上では、気体と液体の区別が
なくなり、臨界圧力(218気圧)付近まで圧力をかけると、水と水蒸気が局所的に混ざり合った白く濁った超臨界流体
という気体でも液体でもない状態が出現する。その電子版が今回発見された量子臨界現象に当たる。水蒸気を絶縁体に、
液体の水を金属にたとえ、ミクロなスケールで混在していると想像してほしい。水の相転移の原動力が熱の揺らぎ
とすれば、量子臨界現象は電子の量子力学的揺らぎによって起きる特別な流体である。量子揺らぎは熱揺らぎと異なり、
絶対温度零度でも存在する」という。

　新しい物質の状態なので、量子力学の理論と実験に刺激を与えそうだが、何の役に立つのか、豊かな未来の発展が
あるのだろうか。鹿野田教授は「今回調べた3種類の結晶で、すべて同じ振る舞いが見られた。その普遍性が興味深い。
水・水蒸気が混ざる臨界状態は化学反応を活発にする場として工業的に利用されている。その電子版なので、
エレクトロニクスに何か新しいことができないか、可能性を探りたい」と話している。

2 = :

<画像>
図1. 電子の集団が強い量子力学的な揺らぎにさらされて、モット転移の量子臨界現象が起きる概念図(提供：東京大学)

/nox/remoteimages/7c/bb/b6a4ffaa489eeb4eccb9ee2ab1ef.jpeg

図2. 銅と炭素、窒素などからなる有機分子性結晶の温度・圧力相関図。明るい色の領域がモット転移の量子臨界領域に相当する。
図中の色は、金属と絶縁体の境界の値で規格化された電気抵抗率の常用対数の絶対値に対応している。(提供：東京大学)

/nox/remoteimages/d4/08/22addf1f96b48f840845fd3e4ac4.jpeg

<参照>
東京大学工学系研究科　金属と絶縁体の狭間で電子が見せる特異な臨界状態を捉えた- モット転移の量子臨界現象の発見
- : 物理工学専攻　古川哲也学術支援専門職員、宮川和也助教、鹿野田一司教授
http://www.t.u-tokyo.ac.jp/tpage/release/2015/150210_1.html

Quantum criticality of Mott transition in organic materials : Nature Physics : Nature Publishing Group
http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3235.html

<関連>
2014年12月22日ニュース「電子軌道の揺らぎによる超伝導を発見」 | SciencePortal
http://scienceportal.jst.go.jp/news/newsflash_review/newsflash/2014/12/20141222_01.html

4 :

希望と絶望の相転移
量子が臨界に達したとき
結界の中はどうなるのか

5 :

>>3
不導体のくせに圧力と温度次第では導体になる物質がある。
圧力と温度次第で、不導体から導体に切り替わる瞬間を持続できる。
これは半導体でも導体でも不導体でもない臨界導体とでも呼ぶべき新たな性質の物体で、何かできるかも。

7 :

あー、先越されたわー、やる気なくしたわー

8 :

コンデンサやらキャパシタが無限の発電装置になるとか

9 :

金属でもないし、絶縁体でもない物質ができるみたいだね
どの物質でも同じ温度、気圧を加えればこの現象を確認できるとある

はたしてこの物質は、どのような性質を持つのだろうか？
量子力学的揺らぎによって、量子臨界現象なるものを再現できて、その現象は
上記のような物質を作るが、人類はまた新しい物体を作ったのだろうか？

なんかまるで同じ物質が導体と不導体との区別がつかないみたいなこと言ってるような気がするが
そういう物質は他にはどのようなものがありますか？

10 :

>>1
　＞粒子と波の両面を兼ね備えた電子は電荷を持つ

とありますが、電子は電荷を背負っているの？
電子を波と見たとき、電荷も波状になってるの？

教えて、エロくない人！

11 :

つまり、イメージとしたら、
電子の電子相関が小さいとふわふわ膨らんで揺らぐ導電体、大きいとごろごろ粒子化して絶縁体だけど、
臨界点だと、どろどろ状態みたいなことかな。

で、今まで実証されなかったのを実証してみせたと。

12 :

↑ 実にいい質問だね

13 :

つまり形や色がグルグル変わる物質ができる
ということか～？

14 :

原子炉の燃料みたいに
規則正しく並べたりすれば
臨界半導体ができるのかな

15 :

みんなよくわかるなあｗ
とにかくけっこう凄い発見だってことはわかった

16 :

>10
電子密度波　charge density wave というのがある

物質にはたくさん電子が含まれていて電子密度の粗密がある。
熱平衡状態の平均的な凹凸もあるがこれは電子密度波とは呼ばれない。
動的に移動する凹凸を電子密度波と呼んでいる。

電子一個に関しても確率的・統計的に見るときには密度波を
考えることは出来る。

18 :

シコってイク前の獣のような感じとイッた後の喪失感の狭間？つまりイク瞬間の感覚のメカニズムが解ったってことか？
あの感覚がずっと続けられる可能性あると⁈なんかヤバくね？
てか、ゴメンね馬鹿で。

19 :

つまり、ようやく量子電池や超伝導や
量子テレポーテーションが実現するの？

ゴメンね馬鹿で。

20 :

１を読んでも全く意味が理解できなかったぜw

21 :

物性物理は素人さんお断り感が凄い

22 :

モット絶縁体がチョット絶縁体に

23 :

バランスが宇宙自然法則だから何も科学者は深く考える必要ないよ
原始仏教でも勉強したほうがいい

あるべくしてある
一瞬一瞬変化しながら
ただそれだけ
隙間は潤滑油
また潤滑油も人間主観

人間主観を無くせば真理がみえてくる

24 :

物性嫌いだったわ

25 = 24 :

異なるものだったのにみな同じように絶縁体でも金属でもないような状態になるってことやろ？

26 :

バケツで運んだのか？

28 :

次の都知事選は舛添には投票しません

　　　　　　　　ｂｙ千葉県民

29 :

バテナイスの原理、解明か。

30 :

臨界とか言われて何のことかわからんかったが、超臨界じゃねーか

なんで臨界と呼んでるんだ？

31 :

ある量子現象の測定を理研に相談したらできないといわれたなあ
理論を構築した人は学会に発表する気もないので
うちで応用品を製品化しようとしたんだけど・・・

オッサンが言うには、世界中の核兵器をいながらにして無効化できるとか
原研に呼ばれて共同研究中らしいが・・・よくわからん

32 :

ヲタとヒッキーの両面を兼ね備えたオレは無職(｀・ω・´)

33 :

半導体の新たな絶縁体の開発に生かせるのか？

34 :

その状態を超高速で回転させると特定方向に重力が増幅される、とか無いかねぇ。

35 = 16 :

>>21
RPGのやり込みのようなノリで、電磁気学と統計力学と量子力学の
演習問題をやり込む。そうするとたいていの論文に抵抗感がなくなる

36 :

モットわかりやすく頼む

37 :

これで合ってる？

絶縁体
電子の移動できる範囲が狭くて、お隣の電子とテリトリーがかぶらない。

金属
電子の移動できる範囲が広くて、お隣の電子とテリトリーがかぶる。

>>1
電子の移動できる範囲が広くなったり、狭くなったり、お隣の電子のテリトリーと
かぶったり、離れたり。

38 :

もっと！転移やらもっと！絶縁体やらエロい名前だな。
つまり境目で縛られMプレイされた電子が
耐え切れずに天国間際まで仮死状態で逝ったようなものか。

39 :

温度と圧力で変わるんだったら
超高感度の温度計とか圧力計作れたりする？

40 :

なるほどわからん

41 :

やっぱりじっちゃんの言ってた通りだ

42 :

半導体とどう違うの？

43 :

>>5
それは、今まで東大のアホが気にしなかった物質の特性ですよ

44 :

モット絶縁体、モット転移、モットパワーをwww

45 = 16 :

>>42
絶縁体が違うからだな。通常の絶縁体と金属の中間的状況にあるのが
半導体で、モット絶縁体と金属の中間的状況で見つけたのが>1

通常の絶縁体は、電流になりそうな電子をイオンが強く束縛していて、
ひとつのイオンが束縛していればイオン結合性の物質、二つのイオンで
取り合って間に束縛していれば共有結合性の物質。

モット絶縁体は電流になりそうな電子同士の相互作用が強くて
電流になれない状況ができている。