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本研究の目的は、キタエフ量子スピン液体物質において、マヨラナ粒子が発現する条件を明らかにし、さらにトポロジカル量子相を制御する実験手法を確立することである。そのために、本研究では、トポロジカル不変量(チャーン数)を比熱測定によるマヨラナギャップの観測を通じて、実験的に決定することが必要不可欠である。
今年度は、希釈冷凍機温度かつ14Tの磁場中において、ピエゾ素子で駆動する3次元回転機構(attocube社製atto3DR)を用いることで、キタエフスピン液体の候補物質α-RuCl3において、磁場をb軸方向に0.1度の精度で合わせ、精密比熱測定を行った。その結果、200 mKまでギャップレスな励起が観測されることを明らかにした。これは、マヨラナ励起の特徴的な磁場印加方向依存性を反映したものであり、本実験結果はα-RuCl3において、マヨラナフェルミオン励起が存在することを強く示唆するものである。本研究成果はScience Advances誌に論文掲載された。
また、α-RuCl3に対して、フランスのエコール・ポリテクニークにおいて、電子線を照射することで人工的に不純物を導入し、マヨラナ励起に対する不純物効果を詳細に調べた。その結果、不純物を導入すると理論的に提唱されているマヨラナ粒子のアンダーソン局在状態が実現することを明らかにした。本成果はPhysical Review X誌に論文掲載された。
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