名古屋大学は2023年12月15日、京都大学との研究グループが、カゴメ格子構造の金属化合物で観察される「ループ電流秩序」という現象を理論的に解明したと発表した。ループ電流秩序は、電子が減衰せずに回転運動を続けるという極めて不思議な量子相で、研究グループは高温超伝導体の研究にも役立つ理論だとしている。
カゴメ格子金属AV3Sb5(A=Cs,Rb,K)は2019年に発見された新種の超伝導体だ。竹籠の網目模様に似た2次元格子構造をしており、ナノスケールのダビデ星型パターンをともなう電荷秩序や超伝導など、多彩な電子状態が観察される。その一つであるループ電流秩序は、ナノスケールの電流が減衰せずに流れ続ける電子状態だが、なぜ電流が減退せず、安定して永久に流れ続けるのか、その理由は解明されていなかった。
研究グループは、最先端の場の量子論を構築することで、カゴメ金属のループ電流秩序の原因の解明を試みた。その結果、フラストレーションにより増大した電子の量子揺らぎが糊となり、電子と正孔（電子の空孔）が特殊な束縛状態になることを発見した。この束縛状態の振幅は虚数で、自由電子への有効磁場を与えるため、永久的にループ電流が流れる。
研究グループは、今回の理論はカゴメ金属で見られる多彩な相転移の解明につながり、今後の高温超伝導体の研究にも役立つことが期待できるとしている。
研究成果は、2023年11月29日、イギリス科学誌Nature Communicationsに掲載された。
関連情報
カゴメ金属で起きる自発回転する不思議な電子状態 ～ナノスケールの永久ループ電流の機構を明らかに～ – 名古屋大学研究成果情報
