東工大ら,磁性絶縁体内のマヨラナ粒子の性質解明

東京工業大学,東京大学,大阪大学,京都大学,韓国科学技術院は,キタエフ模型を実現する候補物質であるα-RuCl3(塩化ルテニウム)において,磁場方向に強く依存するマヨラナ粒子の振る舞いを観測した(ニュースリリース)。

キタエフ模型と呼ばれる蜂の巣格子上の量子スピン模型においては,量子力学的な揺らぎの効果により,低温ではスピンが秩序化しない量子スピン液体と呼ばれる状態が厳密解として得られることが知られている。

このキタエフ模型での量子スピン液体であるキタエフ量子スピン液体状態は,スピンがマヨラナ粒子で記述されるという特異な性質を持つため,マヨラナ粒子を探索する舞台として精力的に研究されている。

キタエフ模型に磁場をかけると,系の状態が自明でないトポロジーを持つことが理論的に提案されており,それによってマヨラナ粒子の試料端でのエッジ状態と,試料内部でのバルク状態という2つの対応する状態がそれぞれ出現する(バルク・エッジ対応)。

これまで,キタエフ量子スピン液体の候補物質であるα-RuCl3において,エッジ状態におけるマヨラナ粒子の振る舞いは観測されていたが,バルク状態におけるマヨラナ粒子の振る舞いはまだ良く分かっていなかった。

今回,キタエフ量子スピン液体のバルク状態でのマヨラナ粒子の振る舞いを明らかにするため,マヨラナ粒子のバルク状態に敏感な比熱測定を行なった。特に,高品質なα-RuCl3の微小結晶に対して磁場中で磁場角度を精密に制御して比熱を測定できる高感度な測定系を構築して,磁場中におけるマヨラナ粒子の振る舞いを調べた。

その結果,α-RuCl3の蜂の巣格子面内で磁場方向を変化させると,マヨラナ粒子の現れやすさが磁場方向に強く依存し,6回振動することが明らかとなった。このような特異な磁場方向依存性は,他の機構では全く説明できないものであり,マヨラナ粒子の振る舞いに対する当初のキタエフによる理論的な予測と非常に良く一致することが分かった。

今回の結果は,これまでに観測されたマヨラナ粒子のエッジ状態とも非常によく整合するものであり,マヨラナ粒子系におけるバルク・エッジ対応を証明することができたと考えられるという。

磁場中でのマヨラナ粒子は,非可換エニオンという新奇な粒子を形成し得る。この非可換エニオンは,トポロジカル量子コンピューターと呼ばれる環境ノイズに非常に強い量子コンピューターを実現する可能性を持つ。この成果は,このα-RuCl3がトポロジカル量子コンピューターを実現する有力候補となり得ることを示し,非可換エニオンの理解の進展も期待できるとしている。

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