磁気渦物質における角運動量反転現象の理論的発見~ゲージ不変な熱力学が導く量子物質の新たな普遍性~

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2025-07-02 東京理科大学,理化学研究所,東京大学大学院理学系研究科,浙江大学

東京理科大・理研・東大・浙江大学の共同研究グループは、強磁場と高速回転が同時に作用する「磁気渦物質」において、電子の軌道角運動量がスピンを上回って偏極の向きを逆転させる新現象を理論的に発見しました。研究では、ゲージ不変かつ熱力学的に安定な分配関数を構築し、軌道角運動量が支配的な偏極と、誘起電荷密度の符号反転も明らかにしました。これにより、超伝導や量子光学、高エネルギー原子核衝突、オービトロニクスなど多彩な領域への応用が期待されます。成果は『Physical Review Letters』に掲載されました。

磁気渦物質における角運動量反転現象の理論的発見~ゲージ不変な熱力学が導く量子物質の新たな普遍性~
図.外部磁場、外部回転下における荷電粒子(正電荷)の角運動量偏極。(a)弱磁場中では磁場と平行なスピン偏極が生じるが、(b) 強磁場中では軌道角運動量の寄与がスピンを上回り、磁場と反平行な偏極が生じる。

<関連情報>

相対論的磁気渦巻き物質における卓越した軌道分極 Preponderant Orbital Polarization in Relativistic Magnetovortical Matter

Kenji Fukushima, Koichi Hattori, and Kazuya Mameda
Physical Review Letters  Published: 1 July, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.135.011601

Abstract

We establish thermodynamic stability and gauge invariance in the magnetovortical matter of Dirac fermions under the coexistent rotation and strong magnetic field. The corresponding partition function reveals that the orbital contribution to bulk thermodynamics preponderates over the conventional contribution from anomaly-related spin effects. This orbital preponderance macroscopically manifests itself in the sign inversion of the induced charge and current in the magnetovortical matter, and can be tested experimentally as the flip of the angular momentum polarization of magnetovortical matter when the magnetic field strength is increased.

1700応用理学一般
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