Determination of topological quantum numbers and search for novel electronic phases in Kitaev quantum spin liquid materials

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01793
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29010:Applied physical properties-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Hashimoto Kenichiro 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00634982)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 須田 理行 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80585159)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 量子スピン液体 / キタエフスピン液体 / マヨラナ粒子 / マヨラナギャップ / 比熱

Outline of Final Research Achievements

In this study, we aim to thoroughly verify the existence of Majorana fermions in α-RuCl3, a prime candidate for Kitaev quantum spin liquids, through specific heat measurements, and to clarify its stability against impurities. For this purpose, we will establish a method to experimentally detect the Chahn number (topological invariant), which determines the presence or absence of the Majorana gap, through specific heat measurements. We will also perform specific heat measurements on samples in which artificial point defects have been introduced by electron irradiation. This study will dramatically improve our understanding of the Mayorana fermions in Kitaev quantum spin liquids.

Free Research Field

低温物性

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

マヨラナ粒子は、「粒子」と「反粒子」が同一という性質をもった中性のフェルミ粒子であり、近年になって、トポロジカル超伝導体のエッジや超伝導渦糸などにおいて、物質中の準粒子として存在しうることが分かり、トポロジカル量子計算への応用の可能性を秘めていることから、大きな注目を集めている。本研究では、キタエフスピン液体の候補物質であるα-RuCl3に対して磁場角度比熱測定を行い、マヨラナ粒子の存在を示す強い熱力学的証拠を得た。本研究成果により、今後、キタエフ量子スピン液体におけるマヨラナ粒子の理解が飛躍的に向上することが期待される。