磁性絶縁体の量子スピン液体状態からマヨラナ粒子の存在を証明 研究グループは、「キタエフ模型」と呼ばれる理論模型の提案を契機に、新しい物質系として注目されている磁性絶縁体を使って実験を行ない、マヨラナ粒子の存在証明を行なった。 通常の磁性体では、温度を下げていくと、磁性を担う電子スピンは同じ向きに整列し、磁石となるが、キタエフ模型では、絶対零度においてもスピンは整列せず、「量子スピン液体状態」と呼ばれる状態が現れる。 量子スピン液体状態は、電子スピンが複数のマヨラナ粒子に分裂することで、トポロジーによって保護された量子状態が実現するという特徴があり、最近になって、このようなキタエフ模型の候補物質がいくつか見つかっている。 研究グループは、キタエフ模型の候補物質である磁性絶縁体「α-RuCl3(塩化ルテニウム)」の量子スピン液体状態において、一定の温度下で磁場を変化させながら、熱ホール伝導度を非常に高い精度で測定。 その結果、ある範囲の磁場で、熱ホール伝導度が磁場や温度によらず、量子力学で規定される普遍的な値(量子化値)のちょうど半分の値で一定となることを見出したという。 このホール伝導度が量子化値の整数倍または分数倍となる現象は、「量子ホール効果」と呼ばれているもので、試料の端(エッジ)には、エネルギー散逸がなくトポロジカルに保護された「エッジ流」が流れ、整数量子ホール効果では「電子」、分数量子ホール効果では準粒子として現れる「分数電荷」によって、エッジ流が運ばれる。 今回、電気が流れない絶縁体において熱ホール効果が量子化していることから、電荷を持たない粒子に由来する量子ホール効果であることが示されたという。 加えて、熱ホール伝導度が量子化値の2分の1倍ということ(半整数量子化)は、熱を運ぶ粒子が電子の半分の自由度を持っていることを示しており、その粒子がマヨラナ粒子であることがわかる。 したがって、整数・分数量子ホール効果に次ぐ「第3の量子ホール効果」を発見したとしており、この「半整数量子化」は、理論的には予言されていたものの、観測例はなく、今回の研究がはじめての実験的証明になるという。 これまでの超伝導体を用いた研究では、マヨラナ粒子による量子化現象が期待される温度は0.01K(ケルビン、-273.14℃相当)程度の極低温に限られていたが、今回の研究では、それよりも2桁以上高い温度(5K=-268.15℃程度)で半整数量子化が観測されており、高温でマヨラナ粒子にまつわる量子化が出現することが明らかとなった。 今回対象とした物質のように、電子同士が強く相互作用し合う物質(強相関電子系)のトポロジカル物性は未開拓であり、今後の研究の展開により新しい量子現象の開拓が期待されるとともに、量子スピン液体に現れるマヨラナ粒子の制御法を開発することで、高温でも動作可能なトポロジカル量子コンピュータへの応用が期待できるとしている。 研究成果は、7月12日に英科学雑誌「Nature」にオンラインで掲載される。