東北大学、大阪大学、ケルン大学の研究グループは、新型トポロジカル物質「ワイル半金属」を発見したと発表した。

質量ゼロの粒子「ディラック電子」はグラフェン(黒鉛を厚さ1原子分まで薄くした原子層物質)などの2次元領域に存在する。グラフェンのディラック電子はシリコンの 10 倍以上の移動度を持ち、高い電気伝導・熱伝導性を示す。
さらに応用範囲が広いとされる、3次元空間での質量ゼロの粒子は「ワイル粒子」と呼ばれ、ディラック電子と類似するが本質的に異なる粒子とされる。ワイル粒子はトポロジカル(位相幾何学的)な性質を持ち、「右巻き」・「左巻き」(カイラリティ)の異なる2種の粒子がペアで発現し、互いに衝突しなければ質量がゼロであるという性質がある。
最近、このワイル粒子を内包した新物質「ワイル半金属」が理論的に提案され、その物質合成とワイル粒子の実験的検証が強く待ち望まれていた。

今回、共同研究グループは、NbP(Nb:ニオブ、P:リン)の高品質大型単結晶の育成に成功。その結晶構造に着目し、Nb表面とP表面の電子状態を角度分解光電子分光法により検討した。その結果、ワイル半金属を特徴付ける「フェルミ弧」(「開いた」フェルミ面が2次元でとる弧の形状)電子状態が、各表面で全く異なる形状であることを明らかにした。
さらに、2つのフェルミ弧を重ねることで、その交点が固体中でワイル粒子の存在する位置に対応していることも見出した。これにより、NbPが新型のワイル半金属であることが実験的に確立されたとしている。

ワイル粒子は極めて高い電気伝導・熱伝導性を持つため、今後、低消費電力・超高速電子の次世代デバイスの開発に弾みがつくとされる。

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