電子が描くナノスケールの“右巻き・左巻きの波紋” ― カゴメ金属で見えた“カイラリティ”の起源―

　田財里奈 基礎物理学研究所助教は、中沢正剛 名古屋大学博士課程学生、山川洋一 同講師、大成誠一郎 同准教授、紺谷浩 同教授と共に、カゴメ（籠目）格子構造の金属化合物で広く観測された、鏡映対称性を破った電子のナノスケールの定在波「カイラル電子干渉」を解き明かす新原理を発見しました。カイラル電子干渉の起源が、ミクロな回転電流を伴うループ電流相という新規量子相であることを理論的に解明し、カゴメ格子金属の電子状態の本質を明らかにしました。

　カゴメ格子金属AV3Sb5（A=Cs, Rb, K）では、幾何学的フラストレーションに由来する多彩な新奇量子相や非従来型超伝導が発見されたことから、現在世界中で注目を集めています。有名な実験事実として、走査型トンネル顕微鏡により相次いで観測された、カイラリティ（右巻き・左巻き）を有するナノスケールの電子の波紋「カイラル電子干渉」があります。興味深いことに、そのカイラリティは微小な磁場により反転します。これは時間反転対称性が破れたループ電流相を強く示唆する実験事実であるため、大いに注目を集めましたが、その理論的根拠は未解明でした。

　本研究では、カゴメ金属にわずかに含まれる不純物の存在に着目しました。数千個のV原子から成るカゴメ格子の巨大クラスター模型を導入して、不純物が電子状態にもたらす非自明な影響を理論解析しました。その結果、ループ電流相に実在する0.1%未満の希薄不純物を考慮することで、実験で観測された「カイラル電子干渉」の機構解明に成功しました。本研究は、カゴメ金属の中心的問題であるループ電流相の存在を決定づけると同時に、ループ電流相で実現する非従来型超伝導の謎を解明する鍵としても注目を集めています。

　本研究成果は、2025年10月29日に、国際学術誌「Nature Communications」にオンライン掲載されました。