物性物理学：フリーデル振動の波面転位からグラフェンのベリー位相を測定する

電子バンド構造によって、結晶性固体の機械的特性、光学的特性、電気的特性が決まる。従って、バンド構造の実験による決定は、技術的応用に極めて重要である。エネルギーバンドのスペクトル分布は、さまざまな手法によって日常的に測定されているが、断熱サイクルに沿って波動関数が累積するゲージ不変な幾何学的位相である量子化ベリー位相γなどの、バンド構造のトポロジカル特性の情報を得るのはより難しい。グラフェンでは量子化ベリー位相はγ = πで、これがサイクロトロン軌道に沿ってゼロ質量の相対論的電子が累積されたものである証拠が、異常量子ホール効果によって得られている。ベリー位相の測定では通常、外部電磁場をかけて、荷電粒子が閉じた軌道に沿うよう強制する必要があると考えられている。今回我々は、この考えに反して、外部磁場をかけずにグラフェンのベリー位相を測定できることを実証する。我々は、グラフェン上へ化学吸着させた水素原子の位置に形成される電荷密度ρの振動（フリーデル振動）に刃状転位を観測した。そして、これらのトポロジカル欠陥を複素場の位相特異点として記述するナイとベリーの概念に従って、この転位の余分な波面の数がグラフェンのベリー位相の実空間尺度であることを示す。電子分散関係もフリーデル振動から決定できるため、今回の研究によって、電荷密度が、波動関数の分散関係とトポロジカル特性の両方を決定するための強力なオブザーバブルであることが立証された。これは、固体の相対論的な相とギャップ相のバンド構造トポロジーの研究に大きな影響を及ぼす可能性がある。

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