磁性絶縁体内部で現れるマヨラナ粒子の性質を解明 -磁場の方向によって粒子数を制御可能-

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 松田祐司 理学研究科教授、田中桜平 東京大学博士課程学生、水上雄太 同助教、橋本顕一郎 同准教授、芝内孝禎 同教授、栗田伸之 東京工業大学助教、田中秀数 同教授、藤本聡 大阪大学教授らの研究グループは、韓国科学技術院と共同で、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ました。

 近年、盛んに研究されているトポロジカル物質においては、電子の状態が持つ特殊な数学的構造のため、試料内部のバルク状態と、試料端のエッジ状態が対応して存在します。これまで、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ましたが、バルク状態におけるマヨラナ粒子の振る舞いはまだ解明されていませんでした。

 今回、バルク状態を鋭敏に検出する比熱測定を磁場中で精密に行い、キタエフ模型の理論で予測される振る舞いと非常によく一致する磁場方向依存性を観測しました。磁場中におけるマヨラナ粒子の性質が明らかになることで、環境ノイズに強いトポロジカル量子コンピューターを実現する「非可換エニオン」の理解が進展することが期待されます。

 本研究成果は、2022年1月31日に、国際学術誌「Nature Physics」にオンライン掲載されました。

磁場Hをa軸方向に向けた際のマヨラナ粒子の状態(左図)と、磁場をb軸方向に向けた際のマヨラナ粒子の状態(右図)。H // a では、試料端におけるエッジ状態としてマヨラナ粒子の流れが出現する。H // bでは、試料内部においてバルク状態としてマヨラナ粒子が多く励起される。図:磁場Ha軸方向に向けた際のマヨラナ粒子の状態(左図)と、磁場をb軸方向に向けた際のマヨラナ粒子の状態(右図)。H//aでは、試料端におけるエッジ状態としてマヨラナ粒子の流れが出現する。H//bでは、試料内部においてバルク状態としてマヨラナ粒子が多く励起される。
研究者情報
書誌情報

【DOI】https://doi.org/10.1038/s41567-021-01488-6

O. Tanaka, Y. Mizukami, R. Harasawa, K. Hashimoto, K. Hwang, N. Kurita, H. Tanaka, S. Fujimoto, Y. Matsuda, E.-G. Moon, T. Shibauchi (2022). Thermodynamic evidence for a field-angle-dependent Majorana gap in a Kitaev spin liquid. Nature Physics.