キタエフ磁性体の欠陥とモアレ構造に由来するマヨラナ－ゲージ場結合のもたらす物性

源自基塔耶夫磁性材料中的缺陷和莫尔结构的马约拉纳规范场耦合带来的物理特性

• 批准号: 22KJ2179
• 负责人: 高橋 雅大
• 金额: $ 1.54万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2179/
• 关键词: 量子スピン液体; トポロジカル秩序; 非可換統計; キタエフスピン液体; イジングエニオン; 非局所相関; マヨラナ粒子; トポロジカル量子計算

令和4年度に実施した研究では、格子欠陥のあるキタエフ磁性体においてトポロジカル秩序に保護された分数化励起の検出手法を理論的に提案した。キタエフ磁性体は、蜂の巣格子上の量子スピン液体相を記述するキタエフ模型によって有効的に記述されるフラストレート磁性体であり、それが長距離スピン秩序がない量子スピン液体状態を真に実現するとき、遍歴マヨラナ準粒子と局在フラックスという二種類のエキゾチック素励起が発現する。特に時間反転対称性が破れた系では両者は結合し、トポロジカルに守られながら非可換統計に従うイジングエニオンとして振る舞うため、その複合粒子は誤り耐性のあるトポロジカル量子計算への応用が見据えられる。しかしながら、電気的に中性なイジングエニオンはそれ自体未だ検出されていないことに加えて、通常のキタエフ磁性体において熱励起される粒子であるため、次世代型コンピュータに応用するには制御が難しいという欠点があった。このような背景のもと、本研究では、イジングエニオンの新規検出手法を理論的に提案した。注目する粒子が蜂の巣格子上の点欠陥に強く束縛される性質を利用して、空間的に遠く離れた二つの点欠陥にそれぞれ束縛された二つのイジングエニオン間に生じる非局所相関が、量子スピン液体相において特定の局在スピン間にのみ非局所スピン相関をもたらすことを実証した。さらにその非局所（スピン）相関は、伝導基盤上に置いたキタエフ磁性体での非局所伝導度測定によって電気的に測定可能であることを示した。本研究には二つの大きな意義が存在する。まずは、複数のイジングエニオンの同時検出が非局所相関の測定によって可能であることを示した点。もう一つは非局所伝導度測定が直接的に量子計算の基本的な操作（量子ビットの読み出し、ビット操作）に対応すると指摘した点である。これらの観点から、本研究は多くの分野に波及効果をもつ研究であると言える。

在 2021 年进行的研究中，我们从理论上提出了一种检测具有晶格缺陷的 Kitaev 磁性材料中受拓扑序保护的分级激发的方法。基塔耶夫磁体是由基塔耶夫模型有效描述的受挫磁体，该模型描述了蜂窝晶格上的量子自旋液相，并且当它真正实现了没有长程自旋序的量子自旋液相时，出现了两种奇异的基本元素。出现激发：流动的马约拉纳准粒子和局域通量。特别是，在时间反演对称性破缺的系统中，两个粒子结合起来，表现得像伊辛任意子，服从非交换统计，同时受到拓扑保护，因此复合粒子有望应用于容错拓扑量子计算。然而，除了电中性伊辛任意子本身尚未被检测到外，它是普通基塔耶夫磁性材料中热激发的粒子，因此很难对其进行控制以应用于下一代计算机。缺点是很难。在此背景下，本研究从理论上提出了一种新的伊辛任意子检测方法。利用感兴趣的粒子与蜂窝晶格上的点缺陷紧密结合的特性，可以在两个伊辛任意子之间发生的非局域相关性，每个伊辛任意子与两个空间上遥远的点缺陷结合我们证明非局域自旋相关性仅发生在特定的粒子之间自旋液相中的局域自旋。此外，我们还表明，可以通过放置在导电基板上的 Kitaev 磁性材料中的非局域电导率测量来电学测量非局域（自旋）相关性。这项研究有两大意义。首先，我们证明通过测量非局域相关性可以同时检测多个伊辛任意子。另一点是，非局域电导率测量直接对应于量子计算的基本操作（量子位读取和位操作）。从这些角度来看，这项研究可以说在多个领域产生了连锁反应。

项目成果

Non-Abelian anyons trapped in vacancies of the Kitaev model and non-local spin correlations

陷入 Kitaev 模型空位的非阿贝尔任意子和非局部自旋相关性

• 发表时间: 2022
• 作者: 藤原浩司;中村瞭弥;渡邉杜;新見康洋;Masahiro O. Takahashi;Masahiro O. Takahashi
• 通讯作者: Masahiro O. Takahashi