2024年 | プレスリリース?研究成果
磁性絶縁体におけるマヨラナ粒子の決定的証拠 ――トポロジカル量子コンピューター実現に向けて前進――
【本学研究者情报】
〇大学院理学研究科物理学専攻
准教授 水上 雄太（みずかみ ゆうた）
大学院理学研究科物理学専攻
准教授 那须 譲治（なす じょうじ）
【発表のポイント】
- 研究チームは2018年に蜂の巣格子を持つ磁性絶縁体补-搁耻颁濒3（塩化ルテニウム）において、マヨラナ粒子の存在の报告をしましたが、异なる结果を主张するグループもあり、その存在の有无については论争が続いています。
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今回、磁场をある特定の方向に向けると、マヨラナ粒子固有の特别な状态が実现していることが明らかになり、マヨラナ粒子の存在の决定的な証拠が得られました。
- 実际の物质中において、マヨラナ粒子の存在を决定づけたことにより、磁性絶縁体补-搁耻颁濒3がトポロジカル量子コンピューター実现のためのプラットホームになりうることが期待されます。
【概要】
东京大学大学院新领域创成科学研究科の今村薫平大学院生、水上雄太助教（研究当时、现在东北大学大学院理学研究科准教授）、桥本顕一郎准教授、芝内孝禎教授、京都大学大学院理学研究科の末次祥大助教、松田祐司教授、东北大学大学院理学研究科の那须譲治准教授らの研究グループは、东京工业大学、韩国科学技术院と共同で、环境ノイズに非常に强いトポロジカル量子コンピューター（注1）の実现の键となる「マヨラナ粒子（注2）」の存在を証明する决定的な証拠を得ました。
これまで、磁性絶縁体补-搁耻颁濒3において、半整数热量子ホール効果（注3）が観测され、マヨラナ粒子が存在するという报告がなされていました。しかし、この热ホール効果は试料ごとに异なる结果を示すことや、异なる解釈を提案するグループも现れたことから大きな论争となり、别の観点から决定的な証拠を得ることが最重要课题となっていました。
今回、磁场をある特定の方向に向けるとマヨラナ粒子固有の特别な状态が実现することを明らかにしました。これは、マヨラナ粒子の存在に関する决定的な証拠といえます。さらに、磁场中でのマヨラナ粒子は、非可换エニオン（注4）という新奇な粒子を形成し得ることが分かっています。この非可换エニオンは、トポロジカル量子コンピューターを実现するうえでのワイルドカードになると期待されている粒子です。本研究成果は、この补-搁耻颁濒3がトポロジカル量子コンピューターを実现する有力候补となり得ることを示すだけでなく、物质中における非可换エニオンの理解への大きな进展が期待されます。
本研究成果は2024年3月13日付けで、米国科学誌 Science Advancesにオンライン掲载されました。
磁场Hがb轴方向の时、マヨラナ粒子（黄色）が円锥状のエネルギー特性（緑）を持つ特别な状态が実现
【用语解説】
注1. トポロジカル量子コンピューター：
従来の量子コンピューターとは异なる物理系を用いて、量子计算を行う次世代型の量子コンピューターである。外乱に対して强いトポロジカルな性质を利用するため、周囲の环境の変化に强く、本质的にエラーを起こしにくいコンピューターになると期待される。
注2. マヨラナ粒子：
1937年にエットーレ?マヨラナにより理论的に提案された素粒子である。一般的に、电子等に代表される粒子には、その电荷などの性质が反対となる反粒子が存在する。例えば电子の场合は、阳电子がその反粒子である。これに対し、マヨラナ粒子は、粒子と反粒子が同一となる性质を持つ。
注3. 半整数熱量子ホール効果：
物質中の電子は磁场を印加すると、ローレンツ力を受けることで軌道が曲げられて、電流または熱流と垂直な方向に流れが生じることになる。このことをそれぞれ電気ホール効果、熱ホール効果という。さらに、磁场下において、電気ホール伝導度や熱ホール伝導度が物質の詳細によらず量子化値の整数倍や分数倍になる現象のことを量子ホール効果と呼ぶ。絶縁体では、電気ホール効果は起きないが、電荷中性な粒子が熱を運び、そのトポロジカルな性質を反映して、熱ホール効果を示すことがある。キタエフ量子スピン液体（注5）におけるマヨラナ粒子は、磁场下でトポロジカルな性質により、エッジ状態で熱流を運び、熱ホール効果を示す。さらに、その熱ホール伝導度は、マヨラナ粒子が通常の電子の半分の自由度しか持たないことに起因し、通常の量子化値の半分の値をとり、半整数熱量子ホール効果と呼ばれる。
注4. 非可換エニオン：
通常の叁次元空间において粒子はボーズ粒子とフェルミ粒子に分けられる。数学的には、ボーズ粒子の波动関数においては、二つの粒子の入れ替え操作に対して1がかかり、フェルミ粒子の波动関数においては、二つの粒子の入れ替え操作に対して－1がかけられる。一方、二次元空间においては、より一般的に二つの粒子の入れ替え操作により波动関数に±1以外の复素数がかけられる粒子が考えられ、これはエニオンと呼ばれる。通常のエニオンにおける粒子の入れ替え操作は、波动関数の位相が変化するのみとみなせるが、これに対して粒子の入れ替え操作により、もとの状态と全く异なる状态になってしまう场合があり、これを非可换エニオンという。
注5. 量子スピン液体、キタエフ量子スピン液体：
物质中のスピンは多くの场合、何かしらの相互作用により、低温で向きが揃ったり、特定のパターンを示したりする磁気秩序状态を示す。これは、スピンの自由度が冻结した一种の固体状态とみなせる。一方で、スピンに量子力学的な揺らぎが强く働く场合、低温であってもスピンの秩序化が阻害されることがある。このように、量子力学的な効果に起因してスピンの自由度が冻结しない、いわば液体のような状态が実现される。この状态のことを量子スピン液体と呼ぶ。量子スピン液体においては、自明でないトポロジー（注6）を持つ状态や、新奇な粒子が存在する可能性が提案されている。キタエフ模型は、基底状态に厳密解としてこのような量子スピン液体状态（キタエフ量子スピン液体）を持つことが知られている。従来の量子スピン液体に比べ、理论的に厳密に扱うことができることに加え、マヨラナ粒子という特殊な準粒子の存在から非常に注目されている。
注6. トポロジー：
连続的に変形しても保たれる性质をトポロジー（位相几何学）という。例えばコーヒーカップの形は连続的に変形していくとドーナツの形にできることからこの二つは、同じものと扱われる。また、ドーナツとボールは穴の数というトポロジーで区别でき、连続的に移り変わることはできない。このような要请により、トポロジカルな状态は不纯物などの外乱に强いという特徴を持つ。
问い合わせ先
（研究に関すること）
东北大学大学院理学研究科物理学専攻
准教授 水上 雄太（みずかみ ゆうた）
电话：022-795-6476
贰尘补颈濒：mizukami*tohoku.ac.jp（*を蔼に置き换えてください）
东北大学大学院理学研究科物理学専攻
准教授 那须 譲治（なす じょうじ）
电话：022-795-6436
贰尘补颈濒：nasu*tohoku.ac.jp（*を蔼に置き换えてください）
（报道に関すること）
东北大学大学院理学研究科
広报?アウトリーチ支援室
电话：022?795?6708
贰尘补颈濒：sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp（*を蔼に置き换えてください）
