Non-equilibrium magnetic dynamics reflecting quasiparticle excitations in quantum spin liquids

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K03742
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Tohoku University (2021-2023); Yokohama National University (2019-2020)
• Principal Investigator: Nasu Joji 東北大学, 理学研究科, 准教授 (40610639)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 量子スピン液体 / 非平衡ダイナミクス

Outline of Final Research Achievements

This research project aims to elucidate how the unique properties of fractional quasiparticles, which emerge in quantum spin liquids of magnetic insulators, manifest in nonequilibrium dynamics. In the Kitaev quantum spin liquid, fractional quasiparticles known as Majorana particles and visons appear. This study primarily analyzed this model using the real-time mean-field approximation method. Our results reveal that spin excitations propagate via Majorana particles without changing spins. Moreover, we find that Majorana particles carrying spin excitations are strongly scattered by vison excitations rather than impurities. We also reveal that applying a real-time local magnetic field can spatially move the visons.

Free Research Field

物性理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究課題では、磁性絶縁体で現れる量子スピン液体がもつ分数準粒子に由来する特異な性質が非平衡ダイナミクスにどのように現れるかを明らかにすることを目的にしている。本研究では、スピンの分数化によって生じたマヨラナ粒子が磁気励起を伝搬するという結果が得られており、これは、分数準粒子が元の物理的実体であるスピンの輸送体となり得るということを示した点で学術的意義があるだけでなく、伝搬過程で磁化変調を必要としないため、それを活用したスピントロニクスへの応用も期待される。また、分数準粒子の磁場制御も、これを情報担体とする量子計算への応用基盤を構築するという点で社会的意義がある。