量子スピン液体の検証方法を確立~磁場の方向で温まりやすさが変化することに着目~

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2025-03-17 東京大学,東北大学

東京大学大学院新領域創成科学研究科の研究グループは、磁場の方向を変化させた極低温比熱測定を用いて、量子スピン液体(QSL)の検証方法を確立しました。QSLは、電子スピンが秩序化せず液体のように揺らぐ特殊な状態であり、マヨラナ粒子の存在が期待されています。しかし、その検証は困難でした。本研究では、蜂の巣格子を持つコバルト酸化物磁性絶縁体Na₂Co₂TeO₆(NCTO)の比熱を、磁場の方向を変えて測定しました。その結果、NCTOではマヨラナ粒子に特有の現象が観測されず、代わりにスピンの波であるマグノンの存在が示唆されました。これは、NCTOが純粋なキタエフ・スピン液体状態ではなく、異なる磁気状態を持つことを意味します。この成果は、QSLやマヨラナ粒子の存在を見分ける強力な手法を提供し、今後のQSL研究の発展に寄与することが期待されます。

量子スピン液体の検証方法を確立~磁場の方向で温まりやすさが変化することに着目~量子スピン液体のイメージ図
量子スピン液体状態では、磁場の方向(オレンジ矢印)を変えたときの比熱が特異的に変化する。

<関連情報>

Na2Co2TeO6の電界角度分解比熱:Kitaev量子スピン液体に対する証拠 Field-Angle-Resolved Specific Heat in Na2⁢Co2⁢Te⁢O6: Evidence against Kitaev Quantum Spin Liquid

Shengjie Fang, Kumpei Imamura, Yuta Mizukami, Ryuichi Namba, Kota Ishihara, Kenichiro Hashimoto, and Takasada Shibauchi
Physical Review Letters  Published: 13 March, 2025
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.106701

Abstract

Kitaev quantum spin liquids (KSLs) in layered honeycomb magnets are known to host Majorana quasiparticles, whose excitations depend strongly on the direction of the applied magnetic field. In the high-field phase of −RuCl3, specific heat measurements have revealed characteristic field-angle dependence of low-energy excitations consistent with the Kitaev model, providing bulk evidence for the KSL state. Here we present low-temperature measurements of specific heat () for another KSL candidate Na2⁢Co2⁢Te⁢O6 (NCTO) under field rotation within the honeycomb plane. Above the critical field of antiferromagnetic order, the field-angle dependence of / exhibits minima along the bond directions, contrasting with the maxima observed in the KSL state of −RuCl3. Our analysis indicates nodeless, fully gapped excitations, which are inconsistent with the angle-dependent Majorana excitations with gapless nodes predicted by the Kitaev model. These findings suggest that low-energy excitations in NCTO are governed by gapped magnon excitations rather than Majorana quasiparticles, providing thermodynamic evidence against a KSL state.

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