2019 Fiscal Year Research-status Report
Exotic excitations and anomalous transport phenomena in quantum spin liquids
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17K05517
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
藤本 聡 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (10263063)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | マヨラナ粒子 / スピン液体 / キタエフ・モデル / トポロジカル相 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子スピン液体とは、特殊な磁性体で実現すると理論的に予言されている新規な量子液体相である。この量子相では、物質の様々な性質を担っている電子の性格が一変し、素粒子である電子が、あたかも分裂しているかのような振る舞いを示す。量子スピン液体相において電子が分裂して出現する粒子はマヨラナ粒子と呼ばれ、近年、量子コンピュータへの応用との関連で注目を集めている。本課題では、スピン液体を実現すると期待されているキタエフ磁性体の理論研究を推進した。この系の候補物質に一般に存在する非キタエフ型相互作用の、スピン液体状態に対する影響について研究を行った。その結果、以下のことが明らかになった。
(1)非対角交換相互作用によって、マヨラナ粒子の磁場誘起エネルギーギャップが増大し、熱撹乱に対する、カイラル・スピン液体状態の安定性が増すことが分かった。このカイラル・スピン液体状態では、量子計算への応用が期待されているマヨラナ量子ビットが実現する。本結果はこの状態の安定性を理解する上で重要である。
(2) スピン液体と磁気秩序相が共存する場合には、非対角交換相互作用が、マヨラナ粒子の２次元的なフェルミ面を生み出すことが分かった。この結果は、現実の候補物質における磁場温度相図を理解する上で重要である。
(3) 非対角交換相互作用がマヨラナ励起のバンド構造を劇的に変えて、これによって、これまで知られていなかった、新しいトポロジカル相を実現することが分かった。この相ではマヨラナ粒子とは異なる新たな分数素励起が現れることが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
キタエフ磁性体における非キタエフ相互作用の効果に関する研究は、これまで、量子スピン液体相の安定性に関する議論に限定されていた。すなわち、非キタエフ相互作用は、量子スピン液体相を破壊して、通常の磁気秩序相を安定化すると考えられて来た。本研究でも、開始当初は同様の方向性で進めていたが、研究を進める中で、非キタエフ相互作用の新たな役割が明らかとなり、それらの相互作用がスピン液体状態を不安定にするほど十分に強くない場合には、スピン液体状態に新しい性質を与え、さらには、これまで知られていなかった、新しいタイプの分数励起まで実現することが分かった。本研究成果は、今後、現実物質の中で、量子スピン液体相とそれが生み出す新規量子現象を探索する上で、非常に有益なものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
近年、キタエフ磁性体の候補物質であるRuCl3に関する実験研究が国内外で盛んに進められており、その中で当初の理論では説明できない実験データも出て来ている。我々のこれまでの研究成果を発展させて、理想的なキタエフ・モデルに存在しないが、現実物質には一般に存在する非キタエフ相互作用のもたらす新規な量子スピン液体状態の性質を解明し、上述の実験研究とも協力しながら、キタエフ・スピン液体の学理を完成させていく。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染拡大のため、予定していた国内外の出張がすべて中止となったため、未使用額が生じた。この未使用額を、次年度での研究成果発表のための旅費・学会参加費等に使用する。
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