| 研究課題/領域番号 |
20J20385
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
瀧川 大地 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| キーワード | キタエフスピン液体 / 非キタエフ相互作用 / スピンゼーベック効果 |
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| 研究実績の概要 |
キタエフ磁石は、スピン液体と呼ばれるエキゾチックな量子凝縮相や量子計算に応用可能と言われているマヨラナ準粒子の実現が期待されていることから、材料科学から量子情報まで幅広い物理学の分野で注目を集めています。最近の熱心な研究により、α-RuCl3がキタエフ磁石の有望な候補物質であることが明らかになりましたが、スピン液体状態とマヨラナ準粒子の存在を示す根拠となる実験はまだ不足しています。このモデルで実現しているキタエフスピン液体中のマヨラナ準粒子をより直接的なプローブを探求することは基本的かつ重要な問題です。本研究では、エッジスピンゼーベック効果の測定を介して、キタエフカイラルスピン液体状態を開いた境界という条件でマヨラナ粒子を検出するための決定的なシナリオを提案しました。私たちの注目すべき発見は、キタエフカイラルスピン液体状態の重要な特徴の1つであるカイラルマヨラナエッジ状態が、熱浴が系に取り付けられた温度勾配を設定することによって無散逸で弾道的なスピン流を生じさせるということです。この効果の重要な点は、スピンゼーベック伝導率が普遍的なスケーリング挙動を示し、無秩序などの外因性摂動に対して安定的であるため実験的に検出でき、マヨラナ準粒子の存在の明確な証拠を提供することです。
さらに、私たちの結果はスピントロニクスデバイスへの応用にとって非常に重要な意味を持っており、スピン緩和のない弾道散逸のないスピン流は、高効率のスピントロニクスデバイスに適用できます。したがって、私たちの結果はキタエフスピントロニクスへの道を開きます。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本課題ではキタエフ候補物質内に存在する非キタエフ相互作用が実現する、新奇な量子相の提案と発言する新規物性の予言、およびマヨラナ粒子の新規熱輸送現象の開拓を目標に研究に取り組んだ。まず１つ目にキタエフ候補物質にて出現する非キタエフ相互作用に関して有効ハミルトニアンを記述する研究を行った。その結果Γ’項によってトポロジカル相転移を起こしAbelianな相に転移することが分かった。またその他の非キタエフ相互作用についても解析を行い、有効ハミルトニアンを求めた。これらの成果についての論文を投稿しPhysical Review Bから出版された。以下、今年度から新たに開始した研究課題についての報告である。候補物質のα-RuCl3の比熱測定によりネマティック相が出現する可能性が報告されており、キタエフ磁性体でのネマティシティ探索の研究について共同研究者として参加した。解析に必要なマヨラナフェルミオン四体相互作用の係数パラメータに上記で報告した非キタエフ相互作用由来の有効ハミルトニアンが用いられた。次に上記の実績欄で触れたが私たちは遍歴マヨラナと局在マヨラナの混合によって生じる端におけるキタエフ模型のスピンゼーベック効果の提案を行った。線形応答の手法を用いて解析を行いスピン伝導率におけるＤｒｕｄｅＷｅｉｇｈｔが普遍的な温度のスケーリングを示すことを発見した。スピンゼーベック効果は外部から温度勾配を設けることによってスピン流が流れる現象である。本研究にて系のエッジに無散逸のスピン流が流れることを発見した。熱ホール効果のように絶対値の観測ではなく、温度に対するスケーリングの観測なのでフォノンなど他の自由度からの擾乱を受けても特徴的な冪は変わらないと期待でき、より安定かつ一般的なマヨラナフェルミオンの存在を証明する実験になると期待できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
上記で報告したエッジスピンゼーベック効果を用いたキタエフスピン液体の端におけるスピン伝導についてより解析を行う。ゼーベック効果は縦伝導であったが横伝導に対応するスピンネルンスト効果をキタエフスピン液体中で実現することを目標に研究を行う。横伝導は縦伝導ほど単純ではなく熱磁化の寄与などを追加する必要がある。
さらにこのキタエフスピン液体における端における不純物由来の輸送現象など、 新規物性を明らかにする。
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