[論文レビュー] Neutron tomography of magnetic Majorana fermions in a proximate quantum spin liquid

Arnab Banerjee, Jiaqiang Yan+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2016

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 53被引用数 258

ひとこと要約

本論文は高品質な α-RuCl3 に対して四次元中性子トモグラフィーを用い、近傍のキターベ・量子スピン液体における磁性マヨラナフェルミオンを明らかにし、ブリルアン帯の中心近くで温度安定な散乱特徴を強調し、それをマヨラナ励起の観点から解釈する。

ABSTRACT

Quantum matter provides an effective vacuum out of which arise emergent particles not corresponding to any experimentally detected elementary particle. Topological quantum materials in particular have become a focus of intense research in part because of the remarkable possibility to realize Majorana fermions, with their potential for new, decoherence-free quantum computing architectures. In this paper we undertake a study on high-quality single crystal of $α-RuCl_3$ which has been identified as a material realizing a proximate Kitaev state, a topological quantum state with magnetic Majorana fermions. Four-dimensional tomographic reconstruction of dynamical correlations measured using neutrons is uniquely powerful for probing such magnetic states. We discover unusual signals, including an unprecedented column of scattering over a large energy interval around the Brillouin zone center which is remarkably stable with temperature. This is straightforwardly accounted for in terms of the Majorana excitations present in Kitaev's topological quantum spin liquid. Other, more delicate, features in the scattering can be transparently associated with perturbations to an ideal model. This opens a window on emergent magnetic Majorana fermions in correlated materials.

研究の動機と目的

• α-RuCl3 における近傍のキターベ状態内でマヨラナフェルミオンの実現を動機づける。
• 中性子で測定されたダイナミック磁気相関の四次元トモグラフィック再構成を実証する。
• マヨラナ励起とキターベモデルへの摂動として、特徴的な散乱信号を特定し解釈する。

提案手法

• 単結晶 α-RuCl3 に対する中性子散乱データの四次元（エネルギーと運動量）トモグラフィック再構成を行う。
• 磁性マヨラナフェルミオンの痕跡を検出するためにダイナミックスピン相関を解析する。
• 観測された散乱特徴を、キターベ様のトポロジカル量子スピン液体におけるマヨラナ励起の予測と比較する。
• 散乱信号に影響を与える理想的なキターベ模型への摂動を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子トモグラフィーは近傍のキターベスピン液体における磁性マヨラナフェルミオンの痕跡を検出できるだろうか？
• RQ2 α-RuCl3におけるマヨラナ励起に関連する特徴的なダイナミック散乱特徴は何か、温度とともにどう進化するか？
• RQ3 キターベ模型への摂動は中性子散乱信号にどのように現れるか？

主な発見

• ブリルアン帯の中心近くで大きなエネルギー範囲にわたる散乱の柱が観測され、驚くほど温度安定である。
• 観測された散乱柱は、キターベのトポロジカル量子スピン液体におけるマヨラナ励起によって容易に説明できる。
• 他の、より繊細な散乱特徴は理想的なキターベ模型への摂動として解釈できる。
• これらの結果は、相関材料における磁性マヨラナフェルミオンの出現を示す証拠となる。