Nature Communicationsに掲載された研究により、五テルル化ジルコニウム（ZrTe5）中の電子は、量子世界の反抗期のティーンエイジャーであることが明らかになった。絶対零度近くの温度と、冷蔵庫のマグネットを泣かせるほど強力な磁場にさらされると、これらの粒子は従来の期待を裏切る量子振動を示した。

この研究は、ブラジルのサンパウロ大学（USP）、ロスアラモス国立研究所、ワシントン大学、その他の米国の研究機関の科学者らが主導し、磁場60テスラ、温度約0.7ケルビン（-272.45°C）での電気輸送実験と、詳細な理論計算を組み合わせたものだ。なぜなら、どうせなら物理学の限界に挑戦してみよう、というわけだ。

「この研究は、エキゾチックな物質相における電子輸送の理解を広げ、トポロジカル絶縁体が電荷だけでなく、もう一つの基本的な自由度である電子スピンの輸送も支持することを示唆しています」と、USP物理学研究所の教授であり、極限条件下での量子物質研究所の共同設立者・所長であるジュリオ・ラレア・ヒメネス氏は語る。

ラレア氏は、この研究の筆頭著者であるカウエ・カウフマン・リベイロ氏の博士課程指導教官を務めた。リベイロ氏は、FAPESP海外研究インターンシップの支援を受け、ロスアラモスにある国立高磁場研究所でのインターンシップ中に実験の多くを行い、ヨハンナ・パルムストローム氏とショーン・トーマス氏が共同指導した。

トポロジカル絶縁体は材料科学の変わり者だ。内部は電気絶縁体だが、表面は電気を通す。これは、結晶対称性によって保護された電子バンドのトポロジーによるものである。ZrTe5は特に特別で、異なるトポロジカル相の境界付近に位置するため、温度、機械的変形、化学組成、磁場のわずかな変化で電子挙動が劇的に変化する。これは、気分屋の芸術家の量子版だ。

電子が磁場中を移動すると、そのエネルギーは離散的な値（ランダウ準位）に制限される。これは、レフ・ランダウ（1908-1968）にちなんで名付けられた。純金属では、これらの準位がフェルミ準位を繰り返し横切ることができ、電気抵抗に振動（シュブニコフ・ド・ハース振動）が生じる。通常、これは1/B（Bは磁場）に対して予測可能なパターンに従う。しかし、ZrTe5はそのような常識を無視した。

研究者らは、その磁気抵抗振動が従来の1/Bの周期性を持たず、電子が最低ランダウ準位に留まり振動が消えるはずの量子極限を超えても続くことを発見した。振動は、まるで悪い習慣のように持続した。

「トポロジカル相転移近傍の材料では、電子は金属内の通常の粒子のように振る舞わなくなる可能性があります」とカウフマン氏は説明する。「それらの電子励起は、ディラックフェルミオン（相対論的粒子）に似た準粒子のように振る舞い始めます。我々の研究では、これらの準粒子のスピンが中心的な役割を果たすことを示しています。強い磁場を印加すると、スピンと磁場の相互作用が電子のエネルギー準位を深く変えます。その結果、通常は系の関連エネルギーから離れていくランダウ準位が『戻って』きて、再び横切ることができます。この異常な挙動を、我々は再入ランダウ準位と呼んでいます」

これを説明するために、研究者らはランダウ準位の「バックベンディング」と呼ばれるプロセスを提案している。これは、いくつかの準位がフェルミ準位に向かって曲がり、再び横切ることで、本来存在しないはずの領域で余分な振動を生成するというものだ。これは、ZrTe5のような強いスピン軌道相互作用を持つ材料で絡み合う、サイクロトロンエネルギー（軌道運動由来）とゼーマン効果（スピン-磁場結合）の相互作用によるものである。

この研究の目標の一つは、異常な振動が多体効果（集団的…