ポイント
- 研究チームは２０１８年に蜂の巣格子を持つ磁性絶縁体α－ＲｕＣｌ３（塩化ルテニウム）において、マヨラナ粒子の存在の報告をしましたが、異なる結果を主張するグループもあり、その存在の有無については論争が続いています。
- 今回、磁場をある特定の方向に向けると、マヨラナ粒子固有の特別な状態が実現していることが明らかになり、マヨラナ粒子の存在の決定的な証拠が得られました。
- 実際の物質中において、マヨラナ粒子の存在を決定づけたことにより、磁性絶縁体α－ＲｕＣｌ３がトポロジカル量子コンピューター実現のためのプラットホームになりうることが期待されます。
東京大学 大学院新領域創成科学研究科の今村 薫平 大学院生、水上 雄太 助教（研究当時、現在 東北大学 大学院理学研究科 准教授）、橋本 顕一郎 准教授、芝内 孝禎 教授、京都大学 大学院理学研究科の末次 祥大 助教、松田 祐司 教授、東北大学 大学院理学研究科の那須 譲治 准教授らの研究グループは、東京工業大学、韓国科学技術院と共同で、環境ノイズに非常に強いトポロジカル量子コンピューターの実現の鍵となる「マヨラナ粒子」の存在を証明する決定的な証拠を得ました。
これまで、磁性絶縁体α－ＲｕＣｌ３において、半整数熱量子ホール効果が観測され、マヨラナ粒子が存在するという報告がなされていました。しかし、この熱ホール効果は試料ごとに異なる結果を示すことや、異なる解釈を提案するグループも現れたことから大きな論争となり、別の観点から決定的な証拠を得ることが最重要課題となっていました。
今回、磁場をある特定の方向に向けるとマヨラナ粒子固有の特別な状態が実現することを明らかにしました。これは、マヨラナ粒子の存在に関する決定的な証拠といえます。さらに、磁場中でのマヨラナ粒子は、非可換エニオンという新奇な粒子を形成し得ることが分かっています。この非可換エニオンは、トポロジカル量子コンピューターを実現するうえでのワイルドカードになると期待されている粒子です。本研究成果は、このα－ＲｕＣｌ３がトポロジカル量子コンピューターを実現する有力候補となり得ることを示すだけでなく、物質中における非可換エニオンの理解への大きな進展が期待されます。
本研究成果は、２０２４年３月１３日付けで、米国科学誌「Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｄｖａｎｃｅｓ」にオンライン掲載される予定です。
本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業 ＣＲＥＳＴ「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」（研究代表者：松田 祐司）研究領域［ＪＰＭＪＣＲ１９Ｔ５］、日本学術振興会（ＪＳＰＳ） 科学研究費 新学術領域研究（研究領域提案型）「量子液晶の物性科学」（領域代表：芝内 孝禎）［ＪＰ１９Ｈ０５８２４］などの助成を受けて行われました。
＜プレスリリース資料＞
- 本文 ＰＤＦ（７１５ＫＢ）
＜論文タイトル＞
- “Majorana-fermion origin of the planar thermal Hall effect in the Kitaev magnet α-RuCl3”
- ＤＯＩ：10.1126/sciadv.adk3539
＜お問い合わせ先＞
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＜研究に関すること＞
芝内 孝禎（しばうち たかさだ）
東京大学 大学院新領域創成科学研究科 物質系専攻 教授
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＜ＪＳＴ事業に関すること＞
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科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
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