幻の「マヨラナ粒子」の创発を磁性絶縁体中で捉える 电子スピンの分数化が室温まで生じていることを国际共同研究で実証
マヨラナ粒子が生じる様子のイメージ図
光の散乱によって磁性体の基本构成要素である电子スピンが分数化し、マヨラナ粒子を2つ生成します。このプロセスが磁気ラマン散乱强度の特徴的な温度変化に现れます。
© 2016 Joji Nasu and Yukitoshi Motome.
东京大学大学院工学系研究科の求幸年教授らの国际研究グループは、幻の粒子といわれる「マヨラナ粒子」が、电気を通さない磁性体（磁性絶縁体）中で非常に低い温度から室温にわたる広い温度范囲で现れることを大规模な数値シミュレーションによって见出しました。
磁性絶縁体の基本的な性质は电子のもつスピンが支配しています。これまで、通常の磁性絶縁体中の电子スピンの集団は、その统计的な性质からボース粒子的に振る舞うと理解されてきました。ボース粒子とはこの世界を构成する基本粒子の存在形态のひとつで、すべての粒子はボース粒子かフェルミ粒子のどちらかに分类されます。しかし、量子スピン液体という特殊な量子状态が磁性絶縁体中で実现すると、电子スピンが复数のフェルミ粒子に分裂する「分数化」と呼ばれる现象が起き、磁性絶縁体はフェルミ粒子的に振る舞うことが理论的に予想されています。これを実験的に検証するために、これまで非常に低い温度における性质が精力的に调べられてきましたが、そこでは电子スピン以外の寄与が大きくなってしまうため、これまでとは全く异なる视点からの研究が必要とされていました。
国际研究グループは、絶対零度（-273.15℃）で量子スピン液体を示すことが知られているキタエフ模型と呼ばれる理论模型に対して大规模数値计算を适用し、光を照射した际のスペクトルを详细に调べました。その结果、幻のフェルミ粒子といわれる「マヨラナ粒子」の痕跡を広い温度范囲にわたって见出しました。さらに、この数値计算の结果を、磁性絶縁体のひとつとされる塩化ルテニウムを用いたカナダと米国の実験结果と详细に比较することで、マヨラナ粒子が约-250℃から室温にわたる非常に広い温度范囲に存在することを示しました。この结果は、これまでボース粒子に基づいて议论されてきた磁性の常识を覆すものです。
本研究の视点は、絶対零度近くにのみ着目してきた従来の研究とは一线を画すものです。マヨラナ粒子は、长年にわたって素粒子物理学の分野で注目され、最近では量子情报の分野でも盛んに研究されている幻の粒子です。本研究は、磁性絶縁体がこの幻の粒子を研究する格好の舞台であることを示した点で、これらの周辺分野に大きな波及効果をもたらすと期待されます。
「数値计算が実験データを美しく説明するグラフを初めて见たときは目を疑いました」と求教授は话します。「磁性は室温でも身近に见られる唯一の量子力学的な现象です。幻のマヨラナ粒子が、磁性体中では室温でも観测されうるという私たちの発见は、磁性研究のみならず量子情报の分野などにも非常にインパクトのある成果だと思います」と続けます。
论文情报
, "Fermionic response from fractionalization in an insulating two-dimensional magnet", Nature Physics Online Edition: 2016/07/05 (Japan time), doi:10.1038/nphys3809.
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