日本と韓国の研究者らは、理論的に提案されているマヨラナフェルミオンと呼ばれる粒子の存在に関する「決定的な証拠」を発見したと主張している。これらの長い間探し求められていた粒子の証拠は、いわゆるキタエフ磁石の熱力学的挙動に現れたが、研究者らは、彼らの観察は別の理論では説明できないと述べている。
マヨラナフェルミ粒子は、1937 年にその存在を予測したイタリアの物理学者エットーレ マヨラナにちなんで名付けられました。これらの粒子は、それ自体が反粒子であるという点で珍しいものであり、2000 年代初頭に理論物理学者 アレクセイ・キタエフ は、それらが 2 つの電子対からなる準粒子の形で存在する可能性があると予測しました。
これらの準粒子は非アーベル粒子として知られており、その主な魅力の 1 つは外部摂動に対して堅牢であることです。具体的には、キタエフ氏は、量子ビット (量子ビット) として使用すると、特定の状態が「トポロジー的に保護」されること、つまり外部ノイズによってランダムに反転できないことを示しました。このような摂動は、実用的でエラー耐性のある量子コンピューターを作成する上での主な障害の 1 つであるため、これは重要です。
キタエフは後に、これらのマヨラナ状態は、超伝導体の近くにある半導体から作られた量子ナノワイヤの端に発生する電子欠陥状態として設計される可能性があると提案した。したがって、その後の多くの研究は、半導体-超伝導体ヘテロ構造におけるマヨラナ挙動を探すことに焦点を当ててきた。
異なるアプローチ
最新の研究では、研究者らは、 芝内隆貞 東京大学大学院先端材料科学専攻、日本、の同僚と一緒に 韓国科学技術院（KAIST）、別のアプローチをとりました。彼らの研究は、α-RuCl と呼ばれる材料に焦点を当てています。3これは、キタエフスピン液体 (KSL) として知られる物質のクラスに属している可能性があるため、マヨラナフェルミオンの潜在的な「ホスト」です。
これらの材料自体は量子スピン液体のサブタイプであり、磁気モーメント (またはスピン) を規則的で安定したパターンに配置できない固体磁性材料です。この「フラストレーションのある」挙動は、それぞれ同じ方向または交互の方向を指すスピンを持つ通常の強磁性体または反強磁性体の挙動とは大きく異なります。 QSL では、超低温であっても、スピンは流体のように常に方向を変えます。
KSL として認定されるためには、材料が完全な (正確に可溶な) 2 次元の蜂の巣状格子を持っている必要があり、この格子内のスピンが異常な (イジング型) 交換相互作用を介して結合している必要があります。このような相互作用は、鉄などの日常的な物質の磁性の原因となっており、電子などの同一粒子のペア間で発生し、隣接する粒子のスピンが同じ方向を向くのを防ぐ効果があります。したがって、KSLは「交換結合」のフラストレーションに悩まされていると言われています。
α-RuCl中3層状のハニカム構造を持ち、それぞれのRu3+ イオン (実効スピンが -1/2) には 90 つの結合があります。芝内らは、XNUMXつの最短のRu-Cl-Ru XNUMX°経路間の相互作用の相殺により、これらXNUMXつの経路を含む平面に垂直なスピン軸とのイジング相互作用が生じると説明している。
「マヨラナの興奮の特徴」
研究者らは実験で、α-RuCl 単結晶の熱容量を測定しました。3 最先端の高解像度セットアップを使用しています。この装置は、ピエゾベースの 2 軸回転子と、サンプルのハニカム面に回転磁場を加える超電導磁石を備えた希釈冷凍機内に収められていました。これらの測定により、磁場角度に非常に特異な依存性を持つ材料内のトポロジカル エッジ モードが明らかになりました。具体的には、研究者らは、極低温では材料の熱容量（熱力学量）がギャップのない励起を示し、磁場の角度がわずか数度傾くとギャップのある励起に変化することを発見した。この視野角への依存は、マヨラナ準粒子励起の特徴であると彼らは言います。
「これは、2006年にキタエフによって理論的に定式化された、スピン液体状態で予想されるマヨラナ励起の特徴です」と芝内氏は語る。 物理学の世界。 「私たちは、これは別の写真では説明できないため、これらの興奮の決定的な証拠を提供すると信じています。」
芝内氏は、マヨラナエッジモードの特徴である半整数量子ホール効果として知られる現象が現れたかどうかを研究者らが判断するのが難しいと判断したため、このような測定の以前の結果が物議を醸していることを認めている。一部のサンプルでは効果が見られましたが、他のサンプルでは効果が見られなかったため、別の現象が原因である可能性があると多くの人が信じています。しかし、芝内氏は、マヨラナ励起に特有の角度依存のギャップ閉鎖機能に焦点を当てたチームの新しいアプローチが「これらの課題に対処する」と述べている。
まだまだ先は長い
研究者らによると、今回の新たな結果は、磁性絶縁体のスピン液体状態でマヨラナフェルミオンを励起できることを示したという。 「これらの新しい準粒子を操作する方法を見つけることができれば（とはいえ、それは簡単な作業ではありませんが）、フォールトトレラントなトポロジカル量子計算が将来実現される可能性があります」と芝内氏は言う。
彼らの仕事では、 科学の進歩、研究者らは、マヨラナ挙動をホストするキタエフスピン液体状態を達成するために、比較的高い磁場を適用する必要がありました。彼らは現在、マヨラナ州がより低いフィールド、またはゼロフィールドに現れる可能性のある代替材料を探しています。 エミリオ・コバネラ、物理学者 ニューヨークのSUNY工科大学 この研究には関与していないが、そのような材料が存在する可能性があることに同意している。
マヨラナモードは依然として回避され続けている
「芝内氏らの発見的な研究のおかげで、RuCl の安定相の層をリストに追加することができました。3 自信を持って、そしておそらく私たちは、他の多くの物質の中の誰かを明らかにするための実験技術と創意工夫をついに開発しつつあるのです」と彼は言う。 「彼らの研究において、チームは 2 つの珍しいシナリオを区別する必要がありました。一方はキタエフ ハニカム モデルの物理学、一方では正確に解けるエニオン モデル、もう一方は新しい物理学、トポロジー的に自明ではないバンド構造に関連付けられたマグノンです。」 」
Shibauchi 氏ら自身も指摘しているように、これら 2 つのシナリオでは、印加された面内磁場の方向が変化した場合の熱ホール コンダクタンスの挙動について、非常に異なる予測が得られるだろうと Cobanera 氏は指摘しています。したがって、彼らはこの観察に基づいて最先端のメゾスコピック熱測定を行ったが、コバネラによれば、この測定はマグノンの説明と明らかに矛盾しており、エニオンのシナリオを半定量的に裏付けるものだという。
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/heat-capacity-measurements-reveal-majorana-fermions/
