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2021 年度 実績報告書

量子スピン液体におけるマヨラナ粒子の創出と制御

研究課題

研究課題/領域番号 20H00122
研究機関東京大学

研究代表者

求 幸年  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (40323274)

研究分担者 大久保 毅  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任准教授 (00514051)
那須 譲治  東北大学, 理学研究科, 准教授 (40610639)
加藤 康之  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (50708534)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
キーワード磁性 / 強相関電子系 / 物性理論 / 計算物理 / トポロジー
研究実績の概要

前年度に引き続き、研究計画に沿って研究を推進し、以下の研究成果を得た。(1) キタエフ量子スピン液体に現れるスピンの分数励起に対する局所的な格子歪みの効果を、候補物質α-RuCl3を念頭に置いた第一原理計算とモデル計算により解明し、磁場中で磁気秩序が消失した量子スピン液体領域において、フラックスを生成し制御することが可能であることを実証した。 (2) キタエフ量子スピン液体を実現する新しい舞台となりうる新物質として、イリジウムイルメナイトAIrO3 (A=Mg, Zn)に対する第一原理計算を用いた研究を行い、有効磁気相互作用を見積もることで、これらの物質においてキタエフ型相互作用が強く現れることを示した。(3) 拡張キタエフ模型において、磁場角度を変えたときの熱ホール伝導度の変化を調べ、それがゼロになる磁場角度がΓ相互作用と呼ばれる非対角対称磁気相互作用に敏感であることを見いだした。(4) 実験グループとの共同研究として、α-RuCl3に対する熱ホール効果の半整数量子化現象に関して、詳細な磁場角度依存性の測定を通じて、この現象がマヨラナ粒子のトポロジカルな性質に由来することを示した。
これらに加えて、当初計画になかった内容として、以下の研究成果を得た。(5) 量子スピン系の熱力学的な性質を調べる数値計算手法として、Lefschetz thimble法に基づいた量子モンテカルロ法を開発し、磁場中のキタエフ模型に対してその適用範囲を詳細に調べた。(6) 機械学習を用いた量子多体系の基底状態計算法として、行列式を用いない新しい枠組みを構築した。(7) 前項に関連して、行列式を組み合わせた畳み込み型ニューラルネットワークによる計算手法も開発した。(8) テンソル繰り込み群法のアルゴリズムの改良を行なった。いずれも、キタエフ模型を含む広範な量子スピン模型に適用可能な汎用性の広い数値計算手法である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

計画していた研究内容について着実に研究成果が得られただけでなく、当初計画していなかった内容として、キタエフ模型を含む広い範囲の量子スピン模型に適用可能な理論計算手法の開発について新しい成果を4つ得ることができたため。また、これらの成果について、学術論文を発表するだけでなく、国内外の学会や研究会等で精力的な成果発表を行い、そこでの参加者との積極的な議論を通じて、さらに新しい研究展開にもつながっているため。4月から、特任研究員を1名雇用し、新しい計算手法として汎函数繰り込み群法を用いたさまざまな研究にも着手しているため。

今後の研究の推進方策

計画に沿って着実に研究を遂行する。加えて、今年度得られた新しい研究成果を踏まえ、当初計画に関連したトピックにも興味を広げて、磁性体に現れる新奇な準粒子励起の創出や制御に関する研究を推進する。実験グループとの共同研究も一層緊密に行う。

  • 研究成果

    (30件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 1件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 7件、 招待講演 5件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] ケルン大学(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      ケルン大学
  • [雑誌論文] Bond-weighted tensor renormalization group2022

    • 著者名/発表者名
      D. Adachi, T. Okubo, and S. Todo
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 105 ページ: L060402-1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.105.L060402

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Field-angle dependence of thermal transport in Kitaev-ホ? model2022

    • 著者名/発表者名
      S. Koyama and J. Nasu
    • 雑誌名

      J. Phys.: Conf. Ser.

      巻: 2164 ページ: 012071-1-4

    • DOI

      10.1088/1742-6596/2164/1/012071

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Determinant-free fermionic wave function using feed-forward neural networks2021

    • 著者名/発表者名
      Koji Inui, Yasuyuki Kato, and Yukitoshi Motome
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Research

      巻: 3 ページ: 43126-1-9

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.3.043126

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Electronic and magnetic properties of iridium ilmenites AIrO3 (A=Mg, Zn, and Mn)2021

    • 著者名/発表者名
      Seong-Hoon Jang and Yukitoshi Motome
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Materials

      巻: 5 ページ: 104409-1-14

    • DOI

      10.1103/PhysRevMaterials.5.104409

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Role of Majorana fermions in spin transport of anisotropic Kitaev model2021

    • 著者名/発表者名
      H. Taguchi, Y. Murakami, A. Koga, and J. Nasu
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 104 ページ: 125139-1-8

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.104.125139

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantum Monte Carlo method on asymptotic Lefschetz thimbles for quantum spin systems: An application to the Kitaev model in a magnetic field2021

    • 著者名/発表者名
      Petr A. Mishchenko, Yasuyuki Kato, and Yukitoshi Motome
    • 雑誌名

      Phys. Rev. D

      巻: 104 ページ: 074517-1-15

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.104.074517

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Vortex creation and control in the Kitaev spin liquid by local bond modulations2021

    • 著者名/発表者名
      Seong-Hoon Jang, Yasuyuki Kato, and Yukitoshi Motome
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 104 ページ: 085142-1-9

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.104.085142

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Field-angle dependence of thermal Hall conductivity in a magnetically ordered Kitaev-Heisenberg system2021

    • 著者名/発表者名
      S. Koyama and J. Nasu
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 104 ページ: 075121-1-13

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.104.075121

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Half-integer quantized anomalous thermal Hall effect in the Kitaev material ホア-RuCl32021

    • 著者名/発表者名
      T. Yokoi, S. Ma, Y. Kasahara, S. Kasahara, T. Shibauchi, N. Kurita, H. Tanaka, J. Nasu, Y. Motome, C. Hickey, S. Trebst, and Y. Matsuda
    • 雑誌名

      Science

      巻: 373 ページ: 568-572

    • DOI

      10.1126/science.aay5551

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Spin dynamics in the Kitaev model with disorder: Quantum Monte Carlo study of dynamical spin structure factor, magnetic susceptibility, and NMR relaxation rate2021

    • 著者名/発表者名
      Joji Nasu and Yukitoshi Motome
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 104 ページ: 035116-1-17

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.104.035116

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Majorana correlations in the Kitaev model with ordered-flux structures2021

    • 著者名/発表者名
      A. Koga, Y. Murakami, and J. Nasu
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 103 ページ: 214421-1-9

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.103.214421

    • 査読あり
  • [学会発表] Determinant-free fermionic wave function using feed-forward neural networks2022

    • 著者名/発表者名
      K. Inui, Y. Kato, and Y. Motome
    • 学会等名
      APS March Meeting 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Low-energy and thermodynamic properties of spin-S Kitaev models2022

    • 著者名/発表者名
      J. Nasu and A. Koga
    • 学会等名
      APS March Meeting 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Half-integer quantized anomalous thermal Hall effect and topological Chern number in the Kitaev material α-RuCl32022

    • 著者名/発表者名
      Y. Kasahara, T. Yokoi, S. Ma, S. Kasahara, T. Shibauchi, N. Kurita, H. Tanaka, J. Nasu, Y. Motome, C. Hickey, S. Trebst, and Y. Matsuda
    • 学会等名
      APS March Meeting 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Thermal transport in the Kitaev spin liquid under a staggered magnetic field2022

    • 著者名/発表者名
      K. Nakazawa, Y. Kato, and Y. Motome
    • 学会等名
      APS March Meeting 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Field-induced first-order topological phase transition in a Kitaev spin liquid candidate α-RuCl32022

    • 著者名/発表者名
      S. Suetsugu, U. Yuzuki, M. Shimomura, Y. Kasahara, H. Murayama, T. Asaba, N. Kurita, H. Tanaka, Y. Mizukami, K. Hashimoto, T. Shibauchi, J. Nasu, Y. Motome, and Y. Matsuda
    • 学会等名
      APS March Meeting 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Ground state phase diagram of the Kitaev-Heisenberg model with general spin S2022

    • 著者名/発表者名
      K. Fukui, Y. Kato, J. Nasu, and Y. Motome
    • 学会等名
      APS March Meeting 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl3における磁場誘起トポロジカル相転移2022

    • 著者名/発表者名
      神村真志, 下邨真輝, 鵜飼柚希, 末次祥大, 浅場智也, 笠原裕一, 栗田伸之, 田中秀数, 芝内孝禎, 那須譲治, 求 幸年, 松田祐司
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] Spin liquid and nematic states in the spin-1 honeycomb Kitaev model with bilinear-biquadratic interactions2022

    • 著者名/発表者名
      R. Pohle, N. Shannon, and Y. Motome
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] 機械学習を応用したトポロジカルな性質を持つハミルトニアンの自動設計2022

    • 著者名/発表者名
      乾 幸地, 求 幸年
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] キタエフ量子スピン液体の量子回路表現とその最適化2022

    • 著者名/発表者名
      大久保毅
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
  • [学会発表] テンソルネットワーク法の量子多体問題への適用と量子計算機への展開2022

    • 著者名/発表者名
      大久保毅
    • 学会等名
      量子多体計算のフロンティア
    • 招待講演
  • [学会発表] Finite-Temperature Spin Dynamics and Transport Phenomena in Kitaev Quantum Spin Liquids2021

    • 著者名/発表者名
      J. Nasu
    • 学会等名
      2021 Winter Conference of the Korean Magnetics Society
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 行列式を組み合わせた畳み込み型ニューラルネットワークによるフェルミオン多体系波動関数近似2021

    • 著者名/発表者名
      乾 幸地, 加藤康之, 求 幸年
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [学会発表] 行列式を用いないフィードフォワード型ニューラルネットワークによるフェルミオン多体波動関数近似2021

    • 著者名/発表者名
      乾 幸地, 加藤康之, 求 幸年
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [学会発表] スピンS>1/2 Kitaev-Heisenberg模型の基底状態相図2021

    • 著者名/発表者名
      福井毅勇, 加藤康之, 那須譲治, 求 幸年
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
  • [学会発表] 量子物理とテンソルネットワーク2021

    • 著者名/発表者名
      大久保毅
    • 学会等名
      第1回量子ソフトウェアワークショップ:テンソルネットワークと量子計算の展望
    • 招待講演
  • [備考] 科学研究費補助金 基盤研究 (A):量子スピン液体におけるマヨラナ粒子の創出と制御

    • URL

      http://www.motome-lab.t.u-tokyo.ac.jp/KQSL/index.html

  • [備考] 求研究室

    • URL

      http://www.motome-lab.t.u-tokyo.ac.jp

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公開日: 2023-12-25  

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