阐明了磁性绝缘体内部出现的马约拉纳粒子的...

阐明了磁性绝缘体内部出现的马约拉纳粒子的性质~可根据磁场方向控制粒子数~ 1 .主讲人: 田中樱平(东京大学研究生院新领域创建科学研究科博士课程3年级) 水上雄太(东京大学研究生院新领域创建科学研究科物质系专业助教) 桥本显一郎(东京大学研究生院新领域创建科学研究科物质系专业副教授) 芝内孝祯(东京大学研究生院新领域创建科学研究科物质系专业教授) 栗田伸之(东京工业大学理学院物理学系助教) 田中秀数(东京工业大学理学院物理学系教授) 藤本聪(大阪大学研究生院基础工学研究科物质创建专业教授) 松田祐司(京都大学研究生院理学研究科教授) 2 .发布要点: ◆有报道称，在具有蜂巢格子的磁性绝缘体-RuCl3 (氯化钌)的试样端(边缘)存在马约拉纳粒子，但试样内部(本体)的状态尚不清楚。 ◆此次，通过磁场中比热的精密测量，明确了试样内部存在马约拉纳粒子(注1 )，其容易出现性强烈依赖于蜂巢晶格面内的磁场方向。 ◆试样内部的马约拉纳粒子是基塔耶夫模型(注3 )的理论基础特性的支持结果，即“不可交换离子(注2 )”是使耐环境噪声的拓扑量子计算机成为可能的基础，不可交换离子的理解有望取得进展。 3 .发布概述: 东京大学研究生院新领域创建科学研究科的田中樱平研究生、水上雄太助教、桥本显一郎副教授、芝内孝祯教授、东京工业大学理学院的栗田伸之助教、田中秀数教授、大阪大学研究生院基础工程研究科的藤本聪教授、京都大学研究生院理学研究科的松田祐司教授等研究小组，与韩国科学技术院共同， 在实现基塔耶夫模型的候补物质-RuCl3 (氯化钌)中，观测了强烈依赖于磁场方向的马约拉纳粒子的行为。 近年来，在被广泛研究的拓扑物质(注4 )中，由于电子状态具有特殊的数学结构，因此试样内部的本体状态和试样端的边缘状态相对应地存在。 迄今为止，虽然观测到了边缘状态下的马约拉纳粒子的行为，但本体状态下的马约拉纳粒子的行为尚不清楚。 此次，在磁场中精密进行了敏锐检测本体状态的比热测量，观测到了与基塔耶夫模型理论预测的行为非常一致的磁场方向依赖性。 通过明确磁场中马约拉纳粒子的性质，有望对实现抗环境噪声的拓扑量子计算机的“不可交换离子”的理解有所进展。 本研究成果将于2022年1月31日(英国时间)在英国科学杂志Nature Physics上在线发表。 本研究是科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业CREST“基于拓扑材料科学创造具有创新功能的材料设备”(研究代表:松田祐司)研究领域[JPMJCR19T5]、科学研究费新学术领域研究(研究领域提案型)“量子液晶的物性科学”(领域代表:芝内孝祯教授) [JP19H05824]、科学研究费补助金[JP19H00649，JP18H05227， JP20H02600、JP17H01142、JP19K03711、JP19K22123、JP18H01853、JP18KK0375]等的资助下进行的。 4 .发布内容: 研究背景

先行研究中的问题 2006年，阿列克谢·基塔耶夫理论上提出了一种称为基塔耶夫模型的蜂巢晶格上的量子自旋模型(图1 )。 众所周知，在该模型中，由于量子力学上的波动效应，可以得到低温下自旋不有序的被称为量子自旋液体(注5 )的状态作为严密解。 在这个基塔耶夫模型中的量子自旋液体——基塔耶夫量子自旋液体状态，由于自旋具有用马约拉纳粒子描述的特殊性质，因此作为探索马约拉纳粒子的舞台，正在被大力研究。 理论上提出了对基塔耶夫模型施加磁场时，系统状态具有不明确的拓扑，从而分别出现马约拉纳粒子在试样端的边缘状态和在试样内部的主体状态这两种对应状态(支持主体边缘)。 迄今为止，在基塔耶夫量子自旋液体的候补物质-RuCl3 (氯化钌)中，观测到了边缘状态下的马约拉纳粒子的行为，但散装状态下的马约拉纳粒子的行为尚不清楚。 研究内容(具体手法等详细内容) 这次，为了明确基塔耶夫量子自旋液体在本体状态下的马约拉纳粒子的行为，对马约拉纳粒子的本体状态进行了敏感的比热测量。 特别是针对高品质的-RuCl3的微小晶体，构建了可以在磁场中精密控制磁场角度来测量比热的高灵敏度测量系统，研究了马约拉纳粒子在磁场中的行为。 结果表明，在-RuCl3的蜂巢晶格面内改变磁场方向时，马约拉纳粒子的出现容易度强烈依赖于磁场方向，振动6次。 研究表明，这种奇异的磁场方向依赖性是其他机制完全无法解释的，与基塔耶夫当初对马约拉纳粒子行为的理论预测非常吻合。 这次的结果与迄今为止观测到的马约拉纳粒子的边缘状态也非常吻合(图2 )，可以认为证明了马约拉纳粒子系统中的大边缘对应。 社会意义 今后的安排

马约拉纳粒子原本在基本粒子物理学中被研究，是物理学的主要研究对象之一。 近年来，在固体物理学方面也主要在特殊的超导体边缘和超导的接合系统等方面进行了积极的研究。 这次的结果，可以说是在磁性绝缘体中检测出作为块状状态的马约拉纳粒子的特殊性质的第一个例子。 此外，我们还发现，磁场中的马约拉那粒子可以形成一种新奇的粒子，叫做不可交换阴离子。 众所周知，这种不可交换离子有可能实现一种非常抗环境噪声的量子计算机，称为拓扑量子计算机。 本研究成果不仅表明该-RuCl3可以成为实现拓扑量子计算机的有力候选对象，而且有望在理解不可交换阴离子方面取得进展。 5 .发表杂志: 杂志名称:英国科学杂志Nature Physics (2022年1月31日(英国时间) ) 论文标题: thermo dynamic evidence for field-angle dependent majorana gap in a kitaevspin liquid 作者: O. Tanaka，Y. Mizukami*，R. Harasawa，K. Hashimoto，K. Hwang，N. Kurita，H. Tanaka，S. Fujimoto，y.matshimoto DOI编号: 10.1038/s41567-021-01488-6 URL:https://www./articles/s 41567-021-01488-6 6 .咨询处: <有关研究的事情> 东京大学研究生院新领域创建科学研究科物质系专业 助教水上雄太 TEL / FAX: [phone] email:mizu kami [ at ] edu.k.u-Tokyo.AC.jp 惠普: http://QPM.k.u-Tokyo.AC.jp 东京大学研究生院新领域创建科学研究科物质系专业教授芝内孝祯 TEL / FAX: [phone] email:shiba uchi [ at ] k.u-Tokyo.AC.jp 惠普: http://QPM.k.u-Tokyo.AC.jp <关于JST的事业> 科学技术振兴机构战略研究推进部绿色创新集团嶋林裕子 tel:[phone] /传真: [phone] Email: crest[at]jst.go.jp <有关报道的事情> 东京大学研究生院新领域创建科学研究科宣传室 TEL: [phone] Email: press[at]k. 东京工业大学总务部宣传科 tel:[phone]/fax:[phone] email:media [ at ] Jim.titech.AC.jp 大阪大学研究生院基础工学研究科总务系 TEL: [phone] email:ki-syomu [ at ] office.osaka-u.AC.jp 京都大学总务部宣传科国际宣传室 tel:[phone] /传真: [phone] email:comms [ at ] mail2.ADM.Kyoto-u.AC.jp 科学技术振兴机构宣传科 tel:[phone] /传真: [phone] Email: jstkoho[at]jst.go.jp 7 .术语解释: (注1 )马约拉纳粒子

一般来说，以电子等为代表的粒子中，存在其电荷等性质相反的反粒子。 例如，在电子的情况下，正电子是其反粒子。 所谓马约拉纳粒子，是指1937年埃托雷.马约拉纳在理论上提出了粒子和反粒子相同的粒子。 (注2 )不可交换离子 在通常的三维空间中粒子分为玻色子和费米子。 在数学上，玻色子波函数中，两个粒子的交换操作需要1，在费米子的波函数中，两个粒子的交换操作需要-1。 另一方面，在二维空间中，更一般地考虑通过两个粒子的交换操作，波函数乘以±1以外的复数的粒子，这被称为阴离子。 通常的离子中粒子的更换操作，只视为波函数的相位发生变化，但与此相对，由于粒子的更换操作，有时会成为与原来的状态完全不同的状态，将其称为非可换离子。(注3 )基塔耶夫模型 2006年阿列克谢·基塔耶夫理论上提出的自旋模型。 配置在蜂巢网格上的1/2自旋与3个相邻的自旋具有相互朝向不同方向的相互作用。 由此，产生自旋不朝向某个特定方向的平稳，实现自旋不有序化的量子自旋液体状态(注5 )。 在这种状态下，1/2自旋用两种马约拉纳粒子描述:遍布的马约拉纳粒子(注1 )和局部存在的马约拉纳粒子。 (注4 )拓扑物质 在量子力学中，系数由被称为波函数的函数描述。 在拓扑物质中，其波函数具有数学上不言自明的几何结构(拓扑)。 另一方面，已知由于物质之外的区域被视为自明的状态，所以在作为其边界的物质的边缘会出现起因于拓扑的边缘状态。 因此，由具有非显而易见拓扑的物质内部状态(本体状态)引起的在物质边缘出现边缘状态的对应关系被称为本体边缘对应。 

(注5 )量子自旋液体 物质中的自旋往往表现出在某种相互作用下，低温下方向一致或呈现特定模式的磁有序状态。 这可以看作是自旋自由度冻结的一种固体状态。 另一方面，量子力学上的波动强烈作用于自旋时，即使在低温下也可能阻碍自旋的有序化。 这样，由于量子力学的效果，自旋的自由度不冻结，可以说实现了类似液体的状态。 这种状态称为量子自旋液体。 在量子自旋液体中，提出了具有不言自明的拓扑的状态和存在新奇粒子的可能性。 8 .附件:

图1 :基塔耶夫模型示意图。 虽然一个自旋结合了三个相邻的自旋，但是三个相邻的自旋分别起着使自旋指向不同方向的相互作用，自旋与其因为自我的挫败而不能秩序化。

图2 :磁场h朝向a轴方向时的马约拉纳粒子的状态(左图)和磁场朝向b轴方向时的马约拉纳粒子的状态(右图)。 在H // a中，作为试样端的边缘状态，出现了马约拉纳粒子的流动。 在H // b中，在试样内部，大部分马约拉纳粒子作为本体状态被激发。