Research into many-body quantum phenomena characteristic of few-layer Dirac-electron systems

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ディラック電子が電荷を運ぶ炭素の原子層「グラフェン」は画期的な電子特性を示す。二層、三層と積層するとその内容は格段に豊かになる。磁場中の積層グラフェンにはゼロ・エネルギー準位が複数現れ、軌道についても縮退するが、この縮退は価電子帯の多体の量子ゆらぎにより有意に解ける。この「軌道ラムシフト」に焦点を当てて、積層ディラック電子系に現れる多彩な多体量子現象の探求することが本研究の主題となる。積層系の擬ゼロモード準位は充填率や外場に敏感に反応して準位の混合・交差を起こします。この準位混合という量子現象を「非可換ベリー位相」を介したトポロジーの変化として理解し、その内容を分類できることを示した論文を昨年度発表しましたが、本年度の物理学会で改めてその内容を報告しました。昨年度onlineの国際集会に参加して、最近の実験では 微小SQUID 磁力計を用いて試料中の電流を直接検出できるようになり、試料端を流れる静的な電流が、それも (理論ではその可能性が予見されていた) 端に沿って交互に逆流する2種類の流れとなって観測されていることを知りました。この事実に刺激を受けてホール試料中の電流に焦点を当てた理論的考察を進めました。解析には研究代表者が以前に開発した手法を活用して、端電流は 量子化された軌道運動に由来する反磁性成分と試料端のポテンシャルに沿ってドリフトする（常磁性）端ホール電流からなることを明確に特定し、その実空間での分布を導出しました。その相反する分布からはそれぞれの起源を反映する普遍的な特徴が見て取れます。数値計算からは実験事実と整合する端電流の振る舞いが読み取れます。通常の電子系とグラフェンでは擬ゼロモードに伴う電流に決定的な違いがあることも分かりました。考察の詳細は1月に論文として発表し、年度明け直後に学会誌 (Phys. Rev. B) に掲載されました。