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～

　田財里奈 基礎物理学研究所助教、山川洋一 名古屋大学講師、紺谷浩 同教授の研究グループは、カゴメ格子構造の金属化合物で創発する新奇な相転移―ナノスケールのループ電流秩序―を解明する理論を発見しました。

　2019年に発見されたカゴメ格子金属AV₃Sb₅(A=Cs,Rb,K)は幾何学的フラストレーションを有する新種の超伝導体ですが、そこではナノスケールのダビデ星型パターンを伴う電荷秩序や超伝導など、実に多彩な電子状態が実現します。中でも「ループ電流秩序」は、ナノスケールの電流が減衰せず流れ続ける、極めて不思議な電子状態です。しかし永久電流を伴う状態が安定して存在できる理由は未解明でした。

　本研究では、カゴメ金属のループ電流秩序の理論機構を、場の量子論に基づき解明しました。フラストレーションにより増大した電子の量子揺らぎ（不確定性原理に基づく電子の運動）が糊となり、電子と正孔（電子の空孔）が特殊な束縛状態を組むことを見出しました。驚くべきことに、この束縛状態の振幅は虚数となり、自由電子への有効磁場を与えるため、永久ループ電流が流れます。本研究は、カゴメ金属の多重相転移を理論的に解明し、様々な金属への応用が期待されます。

　本研究成果は、2023年11月29日に、国際学術誌「Nature Communications」に掲載されました。