幻のマヨラナ粒子をスピントロニクスで捉える ～スピン流を用いて観測、実用的な量子計算の実現に期待～

幻のマヨラナ粒子をスピントロニクスで捉える～スピン流を用いて観測、実用的な量子計算の実現に期待～

2025年3月 6日 14:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇大学院理学研究科　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】

量子スピン液体に现れるマヨラナ粒子をスピン流によって観测する方法を提案
マヨラナ粒子がスピン流にもたらす効果を大规模な数値计算によって解明
スピン流が量子スピン液体を応用したトポロジカル量子计算の键となる可能性を开拓

【概要】

现在の量子コンピュータが直面している误り耐性(注1)の実现という课题を、物质中に现れるマヨラナ粒子(注2)と呼ばれる特殊な粒子を用いて解决する方法が有力视されています。しかし、この粒子は电子と违って电荷を持たないため电気的操作が难しく、决定的な制御法はまだ発见されていません。

福井大学大学院工学研究科の加藤康之准教授、东北大学大学院理学研究科の那须譲治准教授、千叶大学大学院理学研究院の佐藤正寛教授、东京大学大学院理学系研究科の大久保毅特任准教授、东京大学物性研究所の叁泽贵宏特任准教授、东京大学大学院工学系研究科の求幸年教授らのグループは、スピントロニクス分野(注3)でよく用いられる温度差によってスピン(注4)を流すスピンゼーベック効果(厂厂贰)(注5)と呼ばれる现象を用いて、量子スピン液体(蚕厂尝)(注6)状态に现れるマヨラナ粒子の新しい検出手法を理论的に提案しました。この効果によって生じるスピン流(注7)の磁场?温度依存性に、マヨラナ粒子に特徴的な振る舞いが现れることを発见しました。この成果は、スピントロニクスによるマヨラナ粒子探査の可能性を示すだけでなく、スピン流によるマヨラナ粒子制御の可能性を示唆しており、実用的な量子计算の実现にも寄与すると期待されます。

この研究成果は、3月6日午前0時（日本時間）に国際科学誌「Physical Review X」に掲載されました。

図1：スピンゼーベック効果。通常の强磁性体においては、热勾配により、白矢印で示すように温度が高い方から低い方へとマグノンが流れることでスピン流を生じます(补)。キタエフ量子スピン液体に现れるマヨラナ粒子は、スピン角运动量を持たないにも関わらず、同様に温度が高い方から低い方へと流れてスピン流を生じることが明らかとなりました(产)。マグノンは下向きスピンを有し、スピン流に寄与します。一方、マヨラナ粒子は、スピン间の相互作用係数の正负に応じて、上向きスピンまたは下向きスピンの性质を帯びるため、スピン流の向きも変化することが见いだされました。

【用语解説】

（注1）误り耐性
量子计算に用いる量子ビットは、外部の影响を受けやすく、エラーが频繁に発生します。これらのエラーを订正し、正确な结果を维持する性能を误り耐性と呼びます。误り耐性を実现するために、精力的に研究が进められています。

（注2）マヨラナ粒子
粒子と反粒子が同一である中性フェルミ粒子の一種で、E. マヨラナによって理論的に予言されました。素粒子物理学では、ニュートリノがマヨラナ粒子である可能性が議論されています。物性物理学の分野では、マヨラナ粒子は準粒子として、トポロジカル絶縁体と超伝導体の界面、キタエフ量子スピン液体(注10)、半導体ナノワイヤーなどに現れると考えられています。

（注3）スピントロニクス分野
スピントロニクスとは、巨大磁気抵抗効果のハードディスクドライブへの応用に代表されるように、电子の电荷とスピン(注4)の両方を活用し、磁気とスピンの相互作用を利用して新しい电子デバイスの発见を目指す技术分野です。プラチナなどのスピン轨道结合の强い金属を用いたスピン流(注7)の観测法の発见を契机に、スピン流の利用に関する研究が活発に行われるようになっています。

（注4）スピン
量子力学の基本的な概念であり、电子などの素粒子が持つ角运动量のことを指します。粒子が持つ电荷が电気の基となるのに対し、スピンは磁気の基となります。例えば、电子のスピンは上向きと下向きの二つの状态を取ることができます。この性质は、磁気共鸣画像法(惭搁滨)やスピントロニクスといった技术に応用されています。

（注5）スピンゼーベック効果(厂厂贰)
スピンゼーベック効果とは、スピントロニクスの一环として、热勾配によってスピン流が生成される现象を指します。スピン流の高精度検出が可能になり、スピンゼーベック効果に関する研究が加速的に进められています。

（注6）量子スピン液体(蚕厂尝)
P. W. アンダーソンによって提唱された概念で、磁性体中のスピンが長距離にわたって量子もつれを形成し、絶対零度においても秩序化しない特異な量子状態を指します。量子スピン液体はしばしば、スピンの自由度が分裂したように振る舞う分数励起と呼ばれる特徴を有しています。

（注7）スピン流
スピンが移动する现象を指します。通常の电流が电子の电荷の移动によって生じるのに対し、スピン流は电子が移动しなくても生じ、絶縁体でも定义されます。例えば、磁性絶縁体では、スピン流はマグノン(注15)によって运ばれます。

（注10）キタエフ量子スピン液体(碍厂尝)
A. キタエフによって提案された量子スピン液体です。この状態に磁場を印加すると、マヨラナ粒子がエニオン粒子として振る舞うことから、トポロジカル量子計算への応用が期待されています。そのため、この状態を実現する候補物質が多く提案され、実証実験が盛んに行われています。

（注15）マグノン
典型的な磁性体中の低エネルギー励起の一种です。これは、原子のスピンが集団的に振动する现象であり、スピン角运动量を持つ量子力学的な粒子として振る舞います。マグノンは、磁性材料内でスピン角运动量だけでなく、エネルギーや情报を効率的に伝达する役割を果たすことがわかっており、そうした特性が注目されています。

【论文情报】

タイトル：Spin Seebeck Effect as a Probe for Majorana Fermions in Kitaev Spin Liquids
著者：Yasuyuki Kato, Department of Applied Physics, University of Fukui
Joji Nasu, Department of Physics, Tohoku University
Masahiro Sato, Graduate School of Science, Chiba University
Tsuyoshi Okubo, Institute for Physics of Intelligence, The University of Tokyo
Takahiro Misawa, The Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo
Yukitoshi Motome, Department of Applied Physics, The University of Tokyo
掲載誌：Physical Review X
顿翱滨：

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