Coexisting Kondo and Weyl-like transport in kagome heavy-fermion metal, Yb$_y$Co$_3$G$e_{3-x}$Sn$_x$

固体材料の世界において、電子は通常、賑やかな通りを移動する人混みのように振る舞います。時には、軽やかな微風のように自由に、かつ素早く移動することもあります。また別の時には、隣人と相互作用することで動きが鈍くなり、重く、動きが遅くなってしまうこともあります。科学者たちは、強い内部的な力によって電子が重く感じられる現象、すなわち電子が重い粒子のように振る舞う材料を作り出す方法を古くから知っていました。また、電子が真空中の粒子のようなくらいの速さと軽さで、結晶構造の中を駆け抜ける、質量を持たないかのように振る舞う材料も発見してきました。これら二つの振る舞い——「重い」ことと「質量を持たない」ことは、通常、異なる種類の材料に属しています。物理学者の課題は、これら二つの相反する力が一つの固体の中でどのように相互作用するかを研究できるように、両方の振る舞いが同時に存在する単一の物質を見つけることでした。

研究チームは、今回そのような材料を発見しました。イッテルビウム、コバルト、ゲルマニウム、そしてスズを含む特定の化合物の結晶を成長させることで、電子が重くもあり、かつ質量を持たない状態にもなれる金属を発見したのです。カゴメ金属の一種であるこの材料は、二種類の異なる電子の交通流が、一つの混ざり合った区別できない流れに合流することなく、並行して流れるユニークな実験室として機能します。研究者たちは、一部の電子は磁気的な相互作用によって重くなる一方で、他の電子は軽く質量を持たず、磁場に対して異なる物理法則に従っていることを示唆するような反応を示すことを明らかにしました。この発見は、電気の移動を制御する新しい方法を提供し、材料の化学組成を変えたり外部からの調整を加えたりすることなく、重い振る舞いと軽い振る舞いの間を切り替えることを可能にする潜在的な可能性を秘めています。

物語は、結晶そのものから始まります。研究者たちは、Yb$_y$Co$_3$Ge$_{3-x}$Sn$_x$と呼ばれる材料の、薄い六角柱状の針状結晶を成長させました。これらの針の中では、コバルト原子が、日本の伝統的な編み細工である「籠（かご）」の模様にちなんで名付けられた、カゴメ格子と呼ばれる特定の幾何学的パターンを形成しています。この配置は、特異な電子状態を生み出すことで有名です。このコバルトのネットワークの間には、希土類元素であるイッテルビウムの原子が散在しています。結晶内のイッテルビウムの量は慎重に調整され、最も優れたサンプルでは、利用可能な空隙の19%から48%が埋められていました。研究者たちは、溶融スズ浴を用いる手法を用いてこれらの結晶を成長させ、これにより、原子の配置や無秩序さを高い精度で制御することができました。

これらの結晶を極低温まで冷却すると、電子が重くなる兆候が見え始めました。温度が約25ケルビンを下回ると、材料の電気抵抗が上昇し始めましたが、これは電子がイッテルビウム原子の磁気モーメントと強く相互作用している典型的な兆候です。これは、移動する電子が磁気的な影響の重い雲を引き連れているような、コンドー効果として知られる現象です。温度がさらに下がると、抵抗はピークに達した後、急激に減少し始めました。この減少は、重い電子が秩序ある状態へと組織化され、結晶格子全体を一斉に移動し始めたことを示していました。研究者が材料の比熱を測定したところ、電子は実際に極めて重くなっており、その質量増大は、この材料を間違いなくヘビーフェルミオン金属の範疇に位置づけるものでした。

しかし、物語は重い電子だけで終わりませんでした。研究者が結晶の針の長手方向に沿って、電流の流れと平行になるように強い磁場を印加したとき、予期せぬことが起こりました。典型的なヘビーフェルミオン金属であれば、磁場が強くなるにつれて電気抵抗の変化は最終的に止まり、飽和点に達するはずです。しかし、この材料においては、抵抗は減少し続け、32テスラという巨大な磁場に至るまで、磁場の増加とともに負の値へと大きくなっていきました。この挙動は、重い電子の標準的なモデルには適合しませんでした。代わりに、それはウェイルフェルミオンと呼ばれる質量のない粒子に関連するシグネチャーと一致していました。これらの系では、電場と磁場が整列しているとき、カイラル異常として知られる量子効果により、電子が抵抗の少ない状態で流れることができ、磁場の強さの二乗に比例して増大する負の磁気抵抗を生み出します。

これら二つの振る舞いがどのようにして同一の結晶内に共存できるのかを理解するために、研究者たちは角度分解光電子分光法を用いて電子構造を調べました。この手法により、材料内部の電子のエネルギー準位をマッピングすることができました。彼らは二種類の異なる電子バンドを発見しました。一方のバンドセットは平坦であり、これは電子が容易に移動できず、ヘビーフェルミオン的な振る舞いの原因となっていることを意味します。もう一方のバンドセットは分散的であり、これは電子が自由に、かつ素早く移動でき、トポロジカル材料に伴う質量のない粒子のように振る舞うことを意味します。理論計算により、平坦なバンドはイッテルビウム原子に由来し、分散的なバンドはコバルトのカゴメネットワークに由来することが確認されました。

主要な発見は、これら二つのグループの電子が、同じ結晶の中に住みながらも、大部分において独自のレーンを維持しているということです。イッテルビウム原子によって駆動される重い電子は、コンドー効果の規則に従い、単一の磁性イオンと一致する形で振る舞いをスケールさせます。一方で、コバルトネットワークを通じて流れる質量のない電子は、カイラル異常によって磁場に反応します。研究者は、重い電子が質量のない振る舞いの源になり得るかどうかをテストしましたが、データはその可能性を否定しました。重い電子の応答はより低い磁場で飽和しましたが、質量のない信号は成長し続けたためです。また、結晶内の無秩序や単純な散乱効果といった、抵抗の変化の仕方を説明できない他の一般的な説明についても検討しましたが、これらも否定されました。

このような振る舞いの分離は、強い相関とトポロジーがいかにして共存できるかについての新しい構図を示唆しています。以前の理論では、ヘビーフェルミオン効果が質量のない状態を作り出すか、あるいは低温においてそれらを完全に抑制してしまうと考えられていました。しかしここでは、二つの効果は独立しており、電子構造の異なる部分に由来しているように見えます。イッテルビウム原子が重く相関した電子を提供し、コバルト格子がトポロジカルで質量のない電子を提供しています。これら二種類の電子は区別されているため、同一のバルク材料内で個別に観察・測定することが可能です。つまり、科学者は一方の振る舞いや他方の振る舞いにアクセスするために、材料の化学組成を調整したりフェルミ準位を変更したりする必要はありません。両方の性質が自然に存在し、かつ活性化しているのです。

この発見の意義は、単一の材料の理解にとどまりません。これは、強い相互作用が存在する状況下でも、異なる電子状態がそれぞれの独自のアイデンティティを保持できることを実証しています。これは、単一のデバイス内で相関的応答とトポロジカルな応答を選択的に利用できる道を開くものです。これらの明確に異なる状態がどのように共存しているかを理解することで、研究者は将来的に、重い伝導モードと軽い伝導モードを切り替えたり、一方の種類の電子を用いて他方を制御したりできる材料を設計できるようになるかもしれません。この研究は、カゴメ格子がそのような物理現象を生み出す肥沃な土壌であることを裏付けており、電子の複雑なダンスをその構成要素へと解きほぐし、電子が重くもあり、かつ軽い状態でもあり得る世界を明らかにしています。