2025年 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情報】

〇大学院理学研究科　物理学専攻
教授　遊佐 剛（ゆさ ごう）
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• エッジ（端部や表面）とバルク（内部）の電気的な性質が異なるトポロジカル物質^（注1）が示す性質の中でも極めて奇妙な分数量子ホール状態^（注1）の、エッジとバルクを伝わる電子の波を電気的に生成することに成功し、これらの波がバルクを伝搬する様子を動画として可視化しました。
• 近年、従来の天文観測や大型加速器による研究に依存せず、量子宇宙^（注2）を模擬する実験（シミュレーター実験）への注目が高まっています。本成果は量子宇宙のシミュレーション実験の実現に向けた重要な一歩です。

【概要】

東北大学 大学院理学研究科の遊佐剛教授、堀田昌寛助教、Quentin France 留学生（仏ソルボンヌ大学大学院生）、Yunhyon Jeong大学院生、神山晃範博士は、NTT株式会社（以下、NTT）、物質?材料研究機構（以下NIMS）との共同研究により、極低温、強磁場環境で動作する走査型偏光選択蛍光分光顕微鏡を用いて、分数量子ホール液体と呼ばれる電子の特殊な状態のエッジとバルクを走る電子の波の動画を撮影することに成功しました。この成果は極限宇宙の新しい検証実験において、ブレーンワールド仮説^（注3）やホログラフィック原理^（注4）のシミュレーション実験への道につながるものです。

本研究成果は物理学の専門誌Physical Review Letter（オンライン版）に2025年8月5日（米国東部時間）に公開されました。

【用語解説】

注1. トポロジカル物質、分数量子ホール状態：通常の絶縁体では物質全体に電流が流れませんが、例えばトポロジカル物質の一種であるトポロジカル絶縁体は、内部（バルク）は絶縁体である一方、２次元物質の端や３次元物質の表面（エッジ）は金属的な性質を持ち、電気が流れます。分数量子ホール状態は、2次元のトポロジカル物質の代表例です。この状態では、バルクは電気を流さない絶縁体ですが、エッジは一方向に電流が流れる1次元の伝導体となり、電気抵抗はゼロになります。トポロジカル物質の理論的発見は2016年に、量子ホール効果は1985年と1998年にノーベル物理学賞を受賞しています。

注2. 量子宇宙：宇宙全体を量子論で記述しようとする試みで、ビッグバンの直後や量子的なブラックホールなど、一般相対性理論（重力）と量子論の両方が必要となる極限的な状況（極限宇宙）を理解するために不可欠とされているものです。しかし、これらを統一的に説明できる完全な理論（量子重力理論）は現在も未完成のままです。

注3. ブレーンワールド仮説：私たちが認識している宇宙（3次元空間+1次元時間の時空）は、より高次元の時空（バルク）に埋め込まれた膜（ブレーン）であるとする理論です。この理論では物質や力のほとんどはブレーン内に閉じ込められていますが、重力だけが余剰次元（高次元）方向に伝搬できると考えられています。

注4. ホログラフィック原理：宇宙は１枚のホログラムに似ているという原理。ホログラムが３次元像を光のトリックで薄いフィルムに記録しているように、３次元に見える宇宙はある面の上に描かれたものとしています。

【論文情報】

タイトル：Electrically induced bulk and edge excitations in the fractional quantum Hall regime
著者：Quentin France, Yunhyeon Jeong, Akinori Kamiyama, Takaaki Mano, Ken-ichi Sasaki, Masahiro Hotta, and Go Yusa*
*責任著者：東北大学大学院理学研究科 教授 遊佐剛
掲載誌：Physical Review Letters
DOI：10.1103/4bp5-9ryg

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学大学院理学研究科物理学専攻
教授 遊佐 剛（ゆさ ごう）
Email：yusa*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学大学院理学研究科
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TEL: 022-795-6708
Email: sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）