高温超伝導体には、凝縮系物理学を数十年にわたって悩ませてきた影のような状態が存在する。銅酸化物材料を冷やしていくと、超伝導になる前に、金属のように振る舞いながらも何かが欠けた奇妙な相を通過する。そこには、本来あるべきではない低エネルギー励起のギャップがある。この擬ギャップ相は、30年にわたって推論され、議論され、モデル化されてきたが、常に間接的なものだった。実際の材料は複雑すぎて制御できないからだ。
ハーバード大学のチームは、その状態を原子ひとつひとつのレベルで再現した。Nature誌において、マルクス・グライナー氏が率いる研究者らは、フェルミ・ハバード模型における擬ギャップ金属の初の実験的特徴づけを報告した。この模型は、銅酸化物の物理学の基礎をなす、格子上の相互作用する電子の最小限の理論的記述である。研究チームは、個々の原子を配置、撮像、操作できる量子ガス顕微鏡である光学格子内の極低温原子でこれを構築し、擬ギャップが現れるのを観測できるほどに系を冷却した。
実験
フェルミ・ハバード模型は、電子が格子サイト間をホッピングし、2つの電子が同じサイトを占めると相互作用エネルギーが生じるというモデルである。銅酸化物に関連する領域であるドープされたモット絶縁体は、必要とされる温度が極めて低いため、実験的なアクセスが困難だった。2025年の低温中性原子シミュレータの進歩により、ハーバード大学のグループは必要とされる数倍の温度低下を実現した。
研究チームは、冷原子シミュレータ上で熱力学測定と分光測定を行った。冷却に伴い、圧縮率（系が粒子をどれほど容易に吸収するか）は中間のドープ量で極大を示し、状態方程式に変曲点が現れた。相互作用の強さを変えてこの極大を追跡すると、大きな相互作用の領域で、過少ドープ金属と過剰ドープ金属を分ける熱力学的異常の線が明らかになった。過少ドープ領域の格子変調スペクトルは、特にブリルアンゾーンの反ノード領域で低エネルギー応答の喪失を示し、これは擬ギャップの特徴である。これをもとに研究チームは、相互作用とドープ量にわたる擬ギャップの相図を構築した。
擬ギャップとは何か
通常の金属では、フェルミ面上の電子は任意に小さなエネルギーで励起できる。擬ギャップ相では、そのような低エネルギー励起が部分的に抑制される。完全なギャップとまではいかないギャップであることから、その名が付けられている。銅酸化物では、擬ギャップは高温超伝導に隣接するドープ領域に位置しており、その理解は、これらの材料が従来の理論では予測できない温度で超伝導になる理由を説明する上で中心的な課題と考えられてきた。
ハバード模型はこの物理を捉える最小限の理論であり、冷原子シミュレータは今やそこへの直接的な実験の窓を提供する。測定結果は、模型における擬ギャップ金属の存在を確認し、その相図上の位置を特徴づけ、将来の研究で調べられる電荷秩序との関連を示唆する。
意義
これは、量子シミュレーションがその約束を果たした事例である。制御可能な量子系を用いて、制御が難しい系についての問いに答えるという約束だ。冷原子プラットフォームは銅酸化物の複雑さのすべてを再現できるわけではない。これは材料ではなくモデル系だが、まさにそこが要点である。ハバード模型の振る舞いを単離することにより、この実験は、擬ギャップが模型自体の特徴であり、したがって銅酸化物パズルの真の一片であるのか、それとも実際の材料の複雑さによる人為的産物なのかを検証する。
研究チームの数値比較（動的量子モンテカルロ法と小クラスター上の厳密対角化）は実験結果を支持する。擬ギャップは、模型内の正しい位置に、正しい分光学的特徴を伴って現れる。次の問いはすでに見えている。擬ギャップが電荷秩序と結びつくのかどうか、そして同じシミュレータを超伝導そのものが現れる領域へと押し進めることができるのかどうかである。長く影であった擬ギャップは、今やその顔を持つ。
雅子 訳
Sources
- Kendrick, L.H., Kale, A., Gang, Y., Deters, A.D., Lebrat, M., Young, A.W., Greiner, M. “Pseudogap in a Fermi-Hubbard quantum simulator.” Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10875-z
- Xu et al., Nature 642:909-915 (2025)