マヨラナ粒子が媒介するスピン輸送現象の発見～物質内部で磁化変動を伴わない奇妙なスピン励起の伝達～

2020-07-28

2020-07-28 東京工業大学,横浜国立大学,科学技術振興機構

ポイント

量子スピン液体に対する実時間数値シミュレーションにより、局所磁化の変化を伴わないスピン輸送現象を発見。
このスピン輸送がマヨラナ粒子によって媒介されることを解明。
マヨラナ粒子を利用したスピントロニクスや量子コンピューティングデバイスへの応用に期待。

東京工業大学理学院物理学系の皆川哲哉　修士課程学生（研究当時。現　ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社）、村上雄太　助教、古賀昌久　准教授、横浜国立大学大学院工学研究院の那須譲治　准教授らの研究グループは、量子スピン液体が実現するキタエフ模型に対して実時間数値シミュレーションを行い、マヨラナ粒子がスピン輸送を媒介し、量子スピンの時間変動が物質の端から端へ伝達することを発見した。

この系では、磁性絶縁体中の量子スピンは、あたかも複数のマヨラナ粒子に分裂しているように振る舞う。この系の片方の端にパルス磁場を導入し、端の局所磁化の時間変動を誘起した後の時間発展を計算すると、物質内部へはその時間変動は浸透しない。量子スピン液体内部でスピンの時間変化がまったく誘起されないにもかかわらず、一定時間経過後にもう片方の端のスピンが突然変動し始めることを発見した。この奇妙なスピン励起伝搬の速度はこの系でのマヨラナ粒子の速度と一致するため、パルス磁場によるスピン励起はマヨラナ粒子によって運ばれていると解釈できる。

物質内部の局所磁化を一切生じさせずにマヨラナ粒子を介してスピン励起が伝搬するこの現象は、スピン変調が波のように伝わる従来のスピン輸送と一線を画している。この研究成果によりマヨラナ粒子を利用したスピン輸送の可能性が開拓され、スピンの時間変化を伴わないスピントロニクスデバイスへの応用やマヨラナ粒子を使ったトポロジカル量子計算の基盤構築につながることが期待される。

研究成果は、２０２０年７月２４日（米国東部時間）に米国物理学会誌「ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ」にオンライン掲載された。

本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ）戦略的創造研究推進事業さきがけ研究領域「トポロジカル材料科学と革新的機能創出（研究総括：村上修一）」における研究課題「量子トポロジカル磁性体のもつ素励起の時空間的制御」（研究者：那須譲治（ＪＰＭＪＰＲ１９Ｌ５））の支援を受けて行われた。

詳しい資料は≫