東工大ら,マヨラナ粒子が媒介するスピン輸送発見

東京工業大学と横浜国立大学の研究グループは,量子スピン液体が実現するキタエフ模型に対して実時間数値シミュレーションを行ない,マヨラナ粒子がスピン輸送を媒介し,量子スピンの時間変動が物質の端から端へ伝達することを発見した(ニュースリリース)。

従来のエレクトロニクスを超えて,電子の持つスピンを積極的に活用するスピントロニクス研究の進展に伴い,電流を伴わないスピン輸送現象に関する研究が盛んに行なわれている。

磁気秩序を有する磁性絶縁体においては,磁性の起源である電子スピンの運動は近接する原子上のスピンに働く磁気的な力を介して波のように伝わる。このスピン波と呼ばれる電子スピンの変調が,磁性絶縁体中のスピン輸送を担うと考えられてきた。

一方で絶対零度まで磁気秩序が現れないキタエフ量子スピン液体においては,電子スピンの間の力の受け渡しが隣接する原子上のみに影響し,ある原子上の電子スピンを時間変動させたとしても,そのスピン変調は遠くまで伝達せずにスピン輸送には適さないと思われていた。

キタエフ量子スピン液体は,塩化ルテニウムといった磁性化合物において実現すると考えられており,この量子スピン液体の特徴であるマヨラナ粒子を現実の物質中で観測する試みが国内外で精力的に行なわれている。

マヨラナ粒子は電荷中性のため,特に熱伝導度の測定を中心とした実験研究が進められている。その一方で,マヨラナ粒子を用いたスピン輸送の可能性は,興味深い問題として残されていた。

研究グループは,絶対零度まで冷却しても磁気秩序を示さない磁性絶縁体の量子スピン液体に注目し,それを記述するモデルのひとつであるキタエフ模型に対して実時間数値シミュレーションを行なうことで,スピン励起が物質内部でマヨラナ粒子を媒体として伝搬することを発見した。

キタエフ量子スピン液体において,マヨラナ粒子が準粒子として存在することを示唆する実験結果はこれまでいくつか得られているが,今回の発見はこのマヨラナ粒子がスピン輸送を媒介するというまったく新しい現象だという。

この成果は量子スピン液体において,マヨラナ粒子がスピントロニクスの輸送担体として機能し得ることを指摘するもの。さらに,そのスピン輸送において,電子スピンの時間変動がまったく生じないため,それを利用した新たなスピントロニクスデバイスへの応用が期待される。

また,キタエフ量子スピン液体において現れるマヨラナ粒子は,環境からの擾乱に強いトポロジカル量子計算の演算要素となることも期待されており,次世代量子計算の基盤構築の可能性も期待されるとしている。

その他関連ニュース

  • 産総研ら,超伝導体でスピン配列の制御を実現 2021年09月07日
  • 東大ら,中赤外光パルスで超高速磁気異方性を制御 2021年09月02日
  • 東北大ら,トリプロンのスピン流伝搬を実証 2021年09月01日
  • 東大ら,新奇磁性体を発見するデザイン則を開発 2021年08月31日
  • 阪大ら,3個以上のスピンが揃った多電子を読出し 2021年08月23日
  • 東北大,常温で量子情報の3D画像の観察に成功 2021年08月19日
  • 北大,室温動作スピンLEDの開発と評価に成功 2021年07月15日
  • 京大ら,従来の理解を超越するスピン物性を発見 2021年06月14日