質量がゼロの「ディラックフェルミオン」と呼ばれる物質の研究は、相対論の影響を考慮に入れることで、新しい電子の性質を見出す可能性があります。ディラックフェルミオンは、グラフェンという物質中で初めて見つかりました。最近では、黒リンがディラックフェルミオン物質の有力な候補として注目されています。黒リンは、グラフェンのような二次元の層が折りたたまれた構造を持ち、通常は半導体ですが、一定の圧力がかかると、金属に転移してディラックフェルミオンが現れると期待されています。しかし、圧力下の実験の困難さからディラックフェルミオンの存在を決定づける実験結果はまだ得られていませんでした。

　本研究では、高圧下で測定可能な核磁気共鳴（NMR）測定を用いて、ディラックフェルミオンに関する情報を得ようと試みました。特に、ディラックフェルミオンの特性を反映する1/T1 T（T1は核スピン格子緩和時間）の磁場依存性を測定しました。測定の結果、低磁場下での値の20倍を超える極めて大きな磁場による1/T1Tの増強が見出されました。このような増強は他の物質では見られないもので、黒リンが3次元ディラックフェルミオン系であることを示す重要な結果です。詳細は、こちら。

　「金属の大きさを小さくしていくと、いずれは金属性を失う」という予言が1960年代から言われています。金属には自由に動ける電子があり、粒子サイズが小さくなると離散的なエネルギー準位が現れます。これが「量子サイズ効果」と呼ばれ、ナノサイズ領域で見られることが期待されています。量子サイズ効果について様々な研究がされてきましたが、意外にも量子サイズ効果の明確な観測と詳しい機構は解明されていません。その原因は、均質なナノ粒子を作ることが難しいことと、その金属らしさを調べるための観測技術が十分ではなかったことだと思われます。

　近年、化学技術の進歩により、金属ナノ粒子を均一かつ安定に生成することができるようになりました。また、非接触的なNMR（核磁気共鳴）測定により、半導体や非金属、信号が弱い試料の測定も可能になりました。本研究では、3種類の異なるサイズの白金（Pt）ナノ粒子についてNMR測定を行うことで、金属と非金属の転移が初めて観測されました。詳細は、こちら。

　黒リンは、Ｐ原子からなるハニカム格子（ハチの巣構造）をひだ状に折り畳んだ単原子層が積み重なった構造を持つ半導体です。そのバンドギャップは圧力を印加することで減少し、約1.2 GPa（~1.2 万気圧）で半金属へと相転移が起こります。最近、この半金属相の黒リンが「質量ゼロの粒子として振る舞うディラック電子」であると報告され、トポロジカル物質としての新たな観点からも注目を集めています。

　私たちは、半導体から半金属への相転移をともなう電子状態の圧力変化を明らかにすることを目的として、黒リンに対して初めて系統的な核磁気共鳴（NMR）測定を行いました。 半導体相の測定は骨の折れる測定でしたが、本論文の筆頭著者である藤井君の根気強いがんばりにより電子状態の圧力変化の全貌が明らかになりつつあります。詳細は、こちら。

典型的な中間価数化合物であり、近藤半導体として知られるSmB6に対して、SPring-8においてX線吸収分光測定からSm価数を調べました。Sm価数が２つの対照的な成分から構成されており、一方は近藤的な低エネルギー電子相関と関連し、もう一方は高エネルギー領域での価数ゆらぎと関連していることを明らかにしました。 

本研究はJASRI、広島大学、Slovak Academy of Sciences、大阪大学、茨城大学との共同研究です。この結果は、Physical Review B誌のRapid Communicationsとして掲載されています。 Preprintはこちら。