量子スピン液体におけるトポロジカル秩序相の解明と制御

• 研究課題/領域番号: 21K13881
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 末次 祥大 京都大学, 理学研究科, 助教 (00893710)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2021年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• キーワード: 量子スピン液体 / トポロジー

研究開始時の研究の概要

局在スピンが絶対零度においても秩序化・凍結せずに揺らいでいる状態を量子スピン液体と呼ぶ。その中でも量子スピン液体状態を基底状態として持つキタエフ模型は、局在スピンがマヨラナ粒子に分数化するため非可換エニオンなどのマヨラナ粒子によるトポロジカル励起を探索する格好の舞台となっている。
本研究ではキタエフ型量子スピン液体候補物質であるα-RuCl3において、磁気トルク・熱伝導度の磁場角度依存性を調べ、キタエフ模型のトポロジカル相を解明する。本研究を通じて、電子相関の効果で生じるトポロジーの研究を、トポロジカル相制御下におけるトポロジカル励起探索の段階へと進展させる。

研究成果の概要

局在スピンが絶対零度においても秩序化・凍結せずに揺らいでいる量子スピン液体ではスピンがマヨラナ粒子などの全く異なった自由度として振る舞うため注目されている。その候補物質としてはα-RuCl3が知られているが、実際に量子スピン液体状態を実現しているかどうかは論争の的となってきた。本研究計画ではα-RuCl3の比熱・熱伝導度の精密測定から磁場中で一次相転移が存在することを示し、量子スピン液体相が存在することを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

量子スピン液体状態で現れるマヨラナ粒子は環境ノイズに強いトポロジカル量子計算の実現に必要なため注目を集めている。本研究ではその候補物質であるα-RuCl3において確かに量子スピン液体状態が実現していることを示し、これまでの論争に決着をつけた。以上の研究成果により量子スピン液体状態の存在が確立されたため、今後はマヨラナ粒子を探索する研究がさらに加速することが期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Evidence for a Phase Transition in the Quantum Spin Liquid State of a Kitaev Candidate α-RuCl3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Suetsugu Shota、Ukai Yuzuki、Shimomura Masaki、Kamimura Masashi、Asaba Tomoya、Kasahara Yuichi、Kurita Nobuyuki、Tanaka Hidekazu、Shibauchi Takasada、Nasu Joji、Motome Yukitoshi、Matsuda Yuji
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 号: 12 ページ: 124703-124703
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.124703
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantized and unquantized thermal Hall conductance of the Kitaev spin liquid candidate α-RuCl3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kasahara Y.、Suetsugu S.、Asaba T.、Kasahara S.、Shibauchi T.、Kurita N.、Tanaka H.、Matsuda Y.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.l060410
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Intrinsic suppression of the topological thermal Hall effect in an exactly solvable quantum magnet (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Suetsugu, T. Yokoi, K. Totsuka, T. Ono, I. Tanaka, S. Kasahara, Y. Kasahara, Z. Chengchao, H. Kageyama, and Y. Matsuda
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 2 ページ: 024415-024415
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.024415
  • 査読あり
• [学会発表] Fully gapped pairing states in spin-triplet superconductor UTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: APS March Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Fully gapped pairing states in spin-triplet superconductor UTe2 (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 非自明な電子状態で発現する超伝導現象の新しい潮流
• [学会発表] Field-induced first-order topological phase transition in a Kitaev spin liquid candidate α-RuCl3 (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Suetsugu, Y. Ukai, M. Shimomura, M. Kamimura, T. Asaba, Y. Kasahara, N. Kurita, H. Tanaka, T. Shibauchi, J. Nasu, Y. Motome, Y. Matsuda
  • 学会等名: APS March meeting 2022
  • 国際学会