東大,マグノンの特殊な状態が現れるモデルを提案

東京大学の研究グループは,量子力学的な波動関数の非自明なトポロジーに由来して,磁性体中の輸送を担う粒子であるマグノンの特殊な状態が表面に現れるようなモデルを提案した(ニュースリリース)。

原子が周期的に並んだ結晶において,磁性の担い手である電子の自転運動に相当するスピンが規則的に整列する場合,その物質は磁性体と呼ばれる。

電子自体が動き回れないような絶縁体でも,このスピンの「動き」が磁性体の性質を支配している。特に,磁性絶縁体における熱などの伝導現象は,整列した方向からのスピンの傾きが波のように伝わっていくスピン波によって担われている。

このスピン波の素励起は量子力学の言葉によって粒子として記述でき,その粒子をマグノンと呼ぶ。近年,さまざまな対称性の下,マグノンによる非自明な輸送現象に関して研究が盛んに行なわれているが,提案された多くの理論模型は現実の物質との結び付きが希薄だった。

研究グループは,マグノンの波動関数の非自明なトポロジーに由来して,質量をもたないディラック粒子のような分散を持つマグノンが表面に現れる磁性体模型を理論的に提案し,ファンデルワールス磁性体CrI3で実現することを指摘した。

スピンに関する磁気的な対称性だけでなく,結晶の空間的な対称性も組み合わせた対称性により,このトポロジカルマグノン結晶絶縁体が自然に実現するという。このような磁性体におけるマグノンは,電場に対して一風変わった応答を示し,新奇物性の宝庫となり得るとする。

この研究提案は,電子が動くことのできない磁性絶縁体におけるマグノンによる新規物性・輸送現象の可能性を切り拓くもの。研究グループは今後,実験的観測・実証に向けた研究展開ならびに,関連した新規物性の探求を考えたいとしている。

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