京都大学、東京大学、東京工業大学の共同研究グループは、磁性絶縁体の塩化ルテニウムにおいて熱ホール効果が量子力学で規定される普遍的な値をとることを発見し、理論的予言から80年以上経て「マヨラナ粒子」を実証することに成功した。

 物質を構成する陽子や電子はフェルミ粒子と呼ばれ、通常はそれぞれに反粒子が存在する(例えば電子の反粒子は陽電子)。一方で、粒子と反粒子が同一という特異な性質の中性のフェルミ粒子が、マヨラナ粒子と呼ばれ1937年にその存在が予言された。近年、ある種の超伝導体や磁性体中でマヨラナ粒子が出現する可能性が指摘され、トポロジカル量子コンピューター(注)の実現との関連で注目されていた。

 共同研究グループは、蜂の巣状の平面構造をもつ磁性絶縁体塩化ルテニウムの量子スピン液体状態(絶対零度で液体を保ちスピンの向きが変わらない状態)において、 一定の温度下で磁場を変化させながら熱ホール伝導度(熱流の曲がりを表す量)を高精度で測定した。

 その結果、ある範囲の磁場で熱ホール伝導度が磁場や温度によらずに量子力学で規定される普遍的な値(量子化値)のちょうど半分の値で一定となることを見出した。 このような現象は「量子ホール効果」と呼ばれ、今回、電気が流れない絶縁体に認められたことから、電荷を持たない粒子に由来する量子ホール効果であり、そのような粒子はマヨラナ粒子であると確認された。

 今回、マヨラナ粒子が存在する決定的な証拠が得られ、さらにその量子化現象が高い温度(約5ケルビン)で実現することも分かった。マヨラナ粒子の制御法を開発することで、高温でも動作可能なトポロジカル量子コンピューターへの応用が期待される。

注)連続的に変形させても保たれる性質をトポロジーと呼び、この性質を利用して量子情報を保護する、安定した量子コンピューターのこと。

論文情報:【Nature】Majorana quantization and half-integer thermal quantum Hall effect in a Kitaev spin liquid

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