京都大学,科学技術振興機構（ＪＳＴ）,東京大学,東京工業大学,横浜国立大学,岡山大学

令和３年７月３０日

京都大学
科学技術振興機構（ＪＳＴ）
東京大学
東京工業大学
横浜国立大学
岡山大学

量子コンピューターのワイルドカードとなる粒子を解明

京都大学 大学院理学研究科の横井 太一 修士課程学生、馬 斯嘯 同修士課程学生（現：富士通株式会社）、笠原 裕一 同准教授、笠原 成 同特任准教授（現：岡山大学 異分野基礎科学研究所 教授）、松田 祐司 同教授、東京大学 大学院新領域創成科学研究科の芝内 孝禎 教授、東京工業大学 理学院物理学系の田中 秀数 教授、栗田 伸之 同助教、横浜国立大学 大学院工学研究院の那須 譲治 准教授、東京大学 大学院工学系研究科の求 幸年 教授の研究グループは、ドイツのケルン大学と共同で、２次元的な平面構造を持つある種の磁性体において現れる「非可換エニオン」と呼ばれる粒子（正確には準粒子）の性質を解明しました。

われわれの住む３次元世界では、２つの同種の粒子を２回入れ替えると必ず元の状態に戻ってしまいます。これに対し非可換エニオン粒子は、２回入れ替えても元には戻らない（非可換）という奇妙な性質を持ち、トポロジカル量子コンピューターと呼ばれる環境ノイズに強い量子コンピューターの動作を可能にする基本粒子です。今回注目した物質はα－ＲｕＣｌ３（塩化ルテニウム）と呼ばれる蜂の巣状の平面構造を持つ磁性絶縁体で、非可換エニオン粒子が存在することを示唆する「半整数熱量子ホール効果」が観測されていました。非可換エニオンは、自身が反粒子と同一であるマヨラナ粒子で構成され、熱ホール効果の符号は、マヨラナ粒子の動きが右ひねりと左ひねりのメビウスの輪のどちらに対応するか、というようなトポロジーにより決まります。非可換エニオンの存在を決定的にするためにはそのトポロジーの詳細を明らかにする必要があります。

研究グループは、半整数熱量子ホール効果の符号が磁場の方向により逆転する現象を発見し、半整数熱量子ホール効果が現れる磁場方向を特定することで、非可換エニオン粒子のトポロジーを決定することに成功しました。本研究により明らかとなった非可換エニオン粒子のトポロジーは理論模型とよい一致を示し、非可換エニオン粒子が物質中に安定して存在することが明らかになりました。このことは、トポロジカル量子コンピューターを実現する上でα－ＲｕＣｌ３が有力な候補物質であることを示しています。

本成果は、２０２１年７月２９日（現地時間）に米国の科学雑誌「サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）」にオンライン掲載されました。

本研究は、日本学術振興会 科学研究費補助金（課題番号：１５Ｈ０２１０６、１５Ｋ１３５３３、１６Ｈ０２２０６、１６Ｈ００９８７、１６Ｋ０５４１４、１７Ｈ０１１４２、１８Ｈ０１１７７、１８Ｈ０１１８０、１８Ｈ０４２２３、１８Ｈ０５２２７、ＪＰ１９Ｋ０３７１１）、同 科学研究費補助金 新学術領域研究「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」（課題番号：ＪＰ１５Ｈ０５８５２）および「量子液晶の物性科学」（課題番号：ＪＰ１９Ｈ０５８２４）、ＪＳＴ ＣＲＥＳＴ 研究領域「トポロジカル材料科学に基づく革新的機能を有する材料・デバイスの創出」（課題番号：ＪＰ－ＭＪＣＲ１８Ｔ２、ＪＰ－ＭＪＣＲ１９Ｔ５）の支援を受けて行われました。

＜プレスリリース資料＞

＜論文タイトル＞

“Half-integer quantized anomalous thermal Hall effect in the Kitaev material candidate α-RuCl3”
ＤＯＩ：10.1126/science.aay5551

＜お問い合わせ先＞

（英文）“Half-integer quantized anomalous thermal Hall effect in the Kitaev material candidate α-RuCl3”

前に戻る