ハイブリッド熱力学測定システムの開発および新奇トポロジカル相転移現象の開拓

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19J20517
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 田中 桜平 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Keywords: キタエフスピン液体 / トポロジカル相転移 / マヨラナフェルミオン / トポロジカル量子相

Outline of Annual Research Achievements

昨年度の研究では、キタエフスピン液体におけるマヨラナフェルミオンの励起ギャップが磁場の方向に応じて開閉することに着目し、キタエフスピン液体候補物質α-RuCl3の単結晶試料に対し磁場角度回転比熱測定を行った。その結果、キタエフスピン液体で理論的に期待される振舞いと一致する比熱の異方性が観測された。
本年度は、この結果を踏まえ、電子線照射によって結晶欠陥を導入したα-RuCl3に同様の手法を応用した。その結果、電子線照射によって主に二つの効果がみられた。一つは磁気秩序の抑制であり、もう一つは比熱の温度依存性の変化である。
前者については、ゼロ磁場における反強磁性転移温度が7Kから6K程度まで下がり、臨界磁場が7Tから6T程度まで下がって、磁場温度相図中の反強磁性相の領域が狭くなるような変化がみられた。この結果は、電子線照射によって磁気秩序を抑制し、それまで磁性相に隠されていたスピン液体相にアクセスできることを示唆するものである。
また、電子線照射を行った試料では、比熱の温度依存性に変化がみられ、未照射試料と比べて状態密度の増大が示唆された。もともと電子線照射前のα-RuCl3では、ギャップが閉じる磁場角度ではC/T∝T, ギャップが開く磁場角度では熱活性型の温度依存性がみられていた。しかし、照射後の試料ではどの磁場角度においても付加的なC/T∝Tの寄与が観測された。
不純物を導入したキタエフ系におけるC/T∝Tの振る舞いは理論的にも予測されているものであり、マヨラナフェルミオンのアンダーソン局在という興味深い描像で説明されうる。また、似たような振る舞いは、乱れを導入したキタエフ系ではないかと議論されているH3LiIr2O6での比熱測定でも観測されている。これらのことから、今回の結果は不純物を導入したキタエフスピン液体における一般的な性質を捉えたものである可能性が考えられる。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本年度はコロナ禍の影響もあり、研究棟への立ち入り制限などがあったため、進捗に大幅な遅れがみられた。
しかしこのような状況下でも、昨年度に立ち上げた磁場角度回転比熱測定装置は、寒剤供給以外の操作をリモートで実行できるように整備してあったため、他の研究者との不要な接触を避けつつ実験を進行できた。
このように、時勢と実験装置の特性が偶然かみ合ったため、ある程度の進捗は得られたものの、新しい測定装置の開発などに関しては継続的な取り組みが難しく、一定以上の成果が得れられなかった。そのため、「やや遅れている」ものと判断する。
本年度の実験で得られた結果は、キタエフ系におけるトポロジカル相転移現象を熱力学的な観点から精査しようとする本研究課題の主題とは直接的には結びつくものではない。しかしながら、電子線照射によってα-RuCl3の反強磁性秩序を抑制できるという発見は、量子スピン液体相へのアクセスを易化する手立てを提供することから、今後の発展的研究への足掛かりとなると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

本年度は、三次元的に磁場方向を制御したうえで熱力学測定をキタエフスピン液体系に適用することを当初の目標として掲げていた。しかしながら、コロナ禍の影響もあったため、この目標に関しては想定していたほどの進捗を得られなかった。
そこで次年度は、本年度は進めることができなかったこの課題に改めて取り組む予定である。近年の理論研究から、キタエフ系におけるマヨラナギャップのノードの三次元的構造を明らかにすることで、非キタエフ相互作用の影響を評価できると期待される。この予測に沿った実験を行うには、臨界磁場以上の高磁場を必要とする。しかし、α-RuCl3の臨界磁場は、磁場がハニカム平面に平行な向きから外れるほどに大きくなる。そのため、出力できる磁場の大きさに限度のある実験室環境では、ハニカム平面から大きく外れた角度での量子スピン液体相へのアクセスが困難になると予測される。そこで、本年度の研究結果を応用し、電子線照射によって臨界磁場が下がった試料を用いることで、ギャップノードを追跡できる範囲を広げられると期待している