量子スピン液体における回転対称性の破れとトポロジカル相転移

• Project Area: Physical Properties of Quantum Liquid Crystals
• Project/Area Number: 22H04474
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 末次 祥大 京都大学, 理学研究科, 助教 (00893710)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 量子スピン液体 / トポロジー / 回転対称性の破れ

Outline of Research at the Start

局在スピンが絶対零度においても秩序化・凍結せずに揺らいでいる量子スピン液体状態を基底状態として持つキタエフ模型は、局在スピンがマヨラナ粒子に分数化するなど従来とは異なった電子状態を実現する格好の舞台である。キタエフ量子スピン液体候補物質としてはα-RuCl3が知られており、面内磁場下における熱ホール伝導度測定や比熱測定などのこれまでの研究結果から、トポロジカル相転移や回転対称性の破れの存在が示唆されている。本研究では高磁場下のα-RuCl3における高磁場相への相転移の存在を確立し、高磁場で現れるネマティック状態の探索を行う。

Outline of Annual Research Achievements

絶対零度においても局在スピンが秩序化・凍結せずに揺らいでいる量子スピン液体状態は誤り耐性のある量子計算への応用が可能であると期待されているため注目を集めている。その中でも量子スピン液体状態を厳密解として持つキタエフ模型は、電子相関により局在スピンが遍歴マヨラナ粒子と局在マヨラナ粒子のループが作るZ2フラックスに分数化するため、遍歴マヨラナ粒子がZ2フラックスに束縛された非可換エニオンなどのトポロジカル励起を探索する格好の舞台となっている。
本研究ではキタエフ量子スピン液体候補物質α-RuCl3における面内磁場下での熱ホール効果測定と共同研究者による比熱測定を通して、バルク励起とトポロジカルエッジ状態の対応関係を調べた。熱ホール伝導度の磁場角度依存性測定の結果、ハニカムボンド方向の磁場において熱ホール効果の符号反転が観測され、その磁場角度でバルク励起のギャップが閉じることを比熱測定から突き止めた。この結果は、ボゾン的なマグノン励起ではなく、フェルミオン的なマヨラナ粒子によって熱ホール効果が生じていることを示している。すなわち、バルク励起のギャップが開いている(閉じている)ときにエッジ電流が現れる(消える)というバルクエッジ対応がα-RuCl3のマヨラナ粒子励起で実現していることが実証された。この成果は、キタエフ模型で予言されているようなマヨラナフェルミオンによるトポロジカル量子相転移の検出に成功したことを意味しており、磁性絶縁体α-RuCl3においてキタエフ量子スピン液体相が実現していることの決定的な証拠を与えるものである。上述の成果は国際的な学術雑誌Science Advancesに原著論文として掲載された。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Majorana-fermion origin of the planar thermal Hall effect in the Kitaev magnet α-RuCl ₃ (2024)
  • Author(s): Imamura Kumpei、Suetsugu Shota、Mizukami Yuta、Yoshida Yusei、Hashimoto Kenichiro、Ohtsuka Kenichi、Kasahara Yuichi、Kurita Nobuyuki、Tanaka Hidekazu、Noh Pureum、Nasu Joji、Moon Eun-Gook、Matsuda Yuji、Shibauchi Takasada
  • Journal Title: Science Advances Volume: 10 Issue: 11
  • DOI: 10.1126/sciadv.adk3539
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fully gapped pairing state in spin-triplet superconductor UTe2 (2024)
  • Author(s): Suetsugu Shota、Shimomura Masaki、Kamimura Masashi、Asaba Tomoya、Asaeda Hiroto、Kosuge Yuki、Sekino Yuki、Ikemori Shun、Kasahara Yuichi、Kohsaka Yuhki、Lee Minhyea、Yanase Youichi、Sakai Hironori、Opletal Petr、Tokiwa Yoshifumi、Haga Yoshinori、Matsuda Yuji
  • Journal Title: Science Advances Volume: 10 Issue: 6
  • DOI: 10.1126/sciadv.adk3772
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evidence for a Phase Transition in the Quantum Spin Liquid State of a Kitaev Candidate α-RuCl3 (2022)
  • Author(s): Suetsugu Shota、Ukai Yuzuki、Shimomura Masaki、Kamimura Masashi、Asaba Tomoya、Kasahara Yuichi、Kurita Nobuyuki、Tanaka Hidekazu、Shibauchi Takasada、Nasu Joji、Motome Yukitoshi、Matsuda Yuji
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 12 Pages: 124703-124703
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.124703
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantized and unquantized thermal Hall conductance of the Kitaev spin liquid candidate α-RuCl3 (2022)
  • Author(s): Kasahara Y.、Suetsugu S.、Asaba T.、Kasahara S.、Shibauchi T.、Kurita N.、Tanaka H.、Matsuda Y.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 6
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.l060410
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Majorana fermion origin of the planar thermal Hall effect in the Kitaev magnet α-RuCl3 (2023)
  • Author(s): 末次祥大
  • Organizer: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] Fully gapped pairing states in spin-triplet superconductor UTe2 (2023)
  • Author(s): Shota Suetsugu, M. Shimomura, M. Kamimura, T. Asaba, H. Asaeda, Y. Kosuge, Y. Sekino, S. Ikemori, Y. Kasahara, Y. Kohsaka, M. Lee, Y. Yanase, H. Sakai, P. Opletal, Y. Tokiwa, Y. Haga, and Y. Matsuda
  • Organizer: APS March Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fully gapped pairing states in spin-triplet superconductor UTe2 (2022)
  • Author(s): Shota Suetsugu, M. Shimomura, M. Kamimura, T. Asaba, H. Asaeda, Y. Kosuge, Y. Sekino, S. Ikemori, Y. Kasahara, Y. Kohsaka, Y. Yanase, H. Sakai, P. Opletal, Y. Tokiwa, Y. Haga, and Y. Matsuda
  • Organizer: 非自明な電子状態で発現する超伝導現象の新しい潮流
• [Remarks] 磁性絶縁体におけるマヨラナ粒子の決定的証拠―トポロジカル量子コンピューター実現に向けて前進―
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2024-03-14