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

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Physical Properties of Quantum Liquid Crystals
• Project/Area Number: 22H04474
• 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
• Keywords: 量子スピン液体 / トポロジー / 回転対称性の破れ

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、これまでの研究で観測されたα-RuCl3の熱ホール伝導度の半整数量子化により、マヨラナ粒子のカイラルエッジ状態が存在することが強く示唆されている。しかしながら、熱ホール伝導度はマヨラナ粒子だけではなく、マグノンやフォノンといった励起によっても存在する可能性が指摘されており、論争の的となっている。これらの熱ホール伝導度の起源を区別するためには、バルクの励起のギャップ構造と熱ホール伝導度を比較する必要がある。最近の磁場角度分解比熱測定ではマヨラナバンドのギャップの磁場角度依存性や、高磁場における回転対称性の破れが報告されている。本研究ではバルク励起のギャップ構造と熱ホール伝導度の関係を比較するために熱ホール伝導度の角度依存性の測定を行い、熱ホール伝導度の符号がマヨラナ粒子由来の熱ホール効果から期待される磁場角度依存性を示すことを明らかにした。今回得られた結果と比熱の磁場角度依存性を合わせるとマヨラナ粒子のバルクエッジ対応が実現していることが強く示唆される。以上の結果についての論文を現在準備中で近いうちに投稿予定である。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

キタエフ量子スピン液体候補物質として知られるα-RuCl3において観測された熱ホール伝導度の起源を明らかにすることは本分野の中心的な課題の一つである。 本研究課題では熱ホール伝導度の磁場角度依存性を測定することで、熱ホール伝導度の符号がマヨラナ粒子に由来する熱ホール効果と一致することを明らかにした。これらの結果と先行研究の比熱の磁場角度依存性の結果と合わせると、α-RuCl3においてマヨラナ粒子のバルクエッジ対応が実現していることを強く支持しており、熱ホール伝導度の起源がマヨラナ粒子由来であることを示している。 以上の結果は本研究課題の目標であるキタエフ量子スピン液体におけるトポロジーの解明に決着をつけるものであり、当初の計画以上に研究が進展しているといえ る。

Strategy for Future Research Activity

以前の研究で観測されたα-RuCl3の熱ホール伝導度の半整数量子化により、マヨラナ粒子のカイラルエッジ状態が存在することが強く示唆されている。しかしながら、α-RuCl3の熱ホール伝導度はこれまで様々なグループから報告されており、グループによって値が異なっているのが現状であり、マグノンやフォノンといった新たな機構が提案されている。最近の報告では試料の品質により熱ホール伝導度の大きさが変化することが明らかとなりつつあり、熱ホール伝導度の半整数量子化を高純度試料で検証することが必要不可欠である。最近、サブリメーション法でスタッキングフォルトが存在せず、磁気転移に伴う比熱の飛びがシャープなα-RuCl3の超純良単結晶が合成されており、このような高品質な結晶で熱ホール伝導度を測定をすることで半整数量子化の徹底検証を行 う。

Research Products

• [Journal Article] Evidence for a Phase Transition in the Quantum Spin Liquid State of a Kitaev Candidate <i>α</i>-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 Pages: 124703
  • DOI: 10.7566/JPSJ.91.124703
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantized and unquantized thermal Hall conductance of the Kitaev spin liquid candidate <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>α</mml:mi><mml:mtext>?</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>RuCl</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math> (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 Pages: L060410
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.L060410
• [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