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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は誤り耐性のある量子計算への応用が可能であると期待されているため注目を集めている。その中でも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っている。
本研究ではキタエフ量子スピン液体候補物質α-RuCl3における面内磁場下での熱ホール効果測定と共同研究者による比熱測定を通して、バルク励起とトポロジカルエッジ状態の対応関係を調べた。熱ホール伝導度の磁場角度依存性測定の結果、ハニカムボンド方向の磁場において熱ホール効果の符号反転が観測され、その磁場角度でバルク励起のギャップが閉じることを比熱測定から突き止めた。この結果は、ボゾン的なマグノン励起ではなく、フェルミオン的なマヨラナ粒子によって熱ホール効果が生じていることを示している。すなわち、バルク励起のギャップが開いている(閉じている)ときにエッジ電流が現れる(消える)というバルクエッジ対応がα-RuCl3のマヨラナ粒子励起で実現していることが実証された。この成果は、キタエフ模型で予言されているようなマヨラナフェルミオンによるトポロジカル量子相転移の検出に成功したことを意味しており、磁性絶縁体α-RuCl3においてキタエフ量子スピン液体相が実現していることの決定的な証拠を与えるものである。上述の成果は国際的な学術雑誌Science Advancesに原著論文として掲載された。
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