シカゴ大学の研究室で、科学者たちは層状磁性材料Fe₅GeTe₂における電子の予想外の挙動を発見した。何百万もの粒子が極めてゆっくりと一緒に動きながら、量子コヒーレンスを保っているのだ。この現象は既存の理論モデルと矛盾し、新たなタイプのメモリデバイスへの道を開く。
材料Fe₅GeTe₂はファンデルワールス磁性体の一族に属し、原子レベルで薄い層として得ることができる。シュオルン・ヤン教授の指導の下、研究者たちは角度分解光電子分光法を用いた。彼らはわずか10マイクロメートルの領域で試料に紫外線レーザーを照射し、平坦な電子帯を観測した。これは電子が材料中を移動する際にほとんど加速されないことの証拠である。
通常の条件下では、導体中の電子は急斜面を勢いよく流れ落ちる水のように振る舞う。しかしここでは斜面はほぼ水平である。粒子は何千倍も遅く移動するが、単一の量子集団のように協調して行動する。「私たちが測定しているのは一つの電子ではなく、何千、何百万もの電子の相互作用であり、それらはすべてコヒーレントに動いています」とヤンは説明する。
このような挙動は絶対零度より100ケルビン高い温度まで保たれる。これは量子効果としては比較的高い数値である。これによりこの材料は実用的な応用への可能性を秘めているが、室温まではまだ遠い。科学者たちはすでにレーザーを用いた状態の切り替えの可能性を検証しており、これが新世代の不揮発性メモリの基盤となりうる。
この発見はFe₅GeTe₂内部の磁気相互作用についての理解を再考させるものである。理論家たちは今、この物質の磁気構造がどのように構成されているかを新たに記述しなければならない。一方で実験家たちは、単原子層における特性を検証することを計画している。まさにそのような形でこそ、この材料は将来の量子デバイスに応用される可能性がある。
この研究は、量子材料の研究に大きく貢献した卓越した理論家ピーター・リトルウッドの追悼に捧げられている。その成果はScience Advancesに掲載され、すでに二次元磁石の専門家たちの関心を集めている。
