テキサス州のライス大学（米国）とウィーン工科大学（TU）の研究者らは、2年前に特殊な物質で初めて発見された準粒子を検出することに成功した。これらの結晶内では、準粒子は質量を持たないにもかかわらず、非常にゆっくりと移動します。研究者らが専門誌「Pnas」で報告しているように、これは新たな技術応用への扉を開く。
約90年前、ドイツの数学者で物理学者のヘルマン・ワイル(1885-1955)は、エキゾチックな質量のない粒子、いわゆる「ワイル・フェルミ粒子」の存在を理論的に予測しました。それらは2015年に初めて実験的に証明されました。ただし、空間を自由に移動できる自由粒子ではなく、固体の中にのみ存在する準粒子です。
準粒子は波のように動きます
準粒子は、相互作用する多数の粒子で構成される量子力学的な物体ですが、その集合状態は、あたかもそれらが一緒になって新しい粒子を形成しているかのように記述されます。水の波の伝播と同様に、移動するのは個々の粒子ではありません。むしろ、それらの集合的な刺激が波の形で広がります。
自由で質量のない粒子は相対性の法則に従って常に光の速度で移動する必要がありますが、質量のない準粒子はそれより遅くなる場合もあります。セリウム、ビスマス、パラジウムという元素から作られた特別な結晶の特性を調査したところ、研究者らは今回の研究で特に遅いワイルフェルミオンを発見した。
新しく発見された粒子ははるかに遅い
「私たちが調べた結晶構造では、電子は高度に相関しており、互いに非常に強く相互作用しています。その結果、ワイルフェルミ粒子は非常にゆっくりと移動します」と共著者であるウィーン工科大学固体物理研究所のシルケ・ビューラー・パッシェン氏はAPAに説明した。 「これにより、効果の制御がはるかに簡単になります。秒速 1,000 メートルの速度は、真空中での光の速度の約 3,000 分の 1 に過ぎません。」
準粒子は電気を伝導するために使用できる
研究者によれば、これにより新しいシステムは技術的応用にとって興味深いものになるという。ワイルフェルミ粒子は材料中にほとんど散在しないため、ほとんど損失なく電流を流すことができます。さらに、それらのスピンは特に堅牢であるため、データ処理に電荷だけでなく電子のスピンも使用する新しいアプリケーションにつながる可能性があります。
発見は量子コンピューティングにも当てはまります
この新たな発見は量子コンピューターの開発にも影響を与える可能性がある。 「理論的予測によれば、そのような物質内の量子情報は、ローカルではなくグローバルに処理されるでしょう」とビューラー・パッシェン氏は言う。 「これにより、将来的にフォールトトレラントな量子コンピューティングが可能になる可能性があります。これを実現するには、まずその効果を超伝導材料に移す必要があります。」