[論文レビュー] Observation of gapped anyons in the Kitaev honeycomb magnet under a magnetic field

N. Janša, A. Zorko+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、磁場下におけるキタエフヘキサゴナル格子磁性体α-RuCl₃において、ギャップを持つanyon（メイオラ状フェルミ粒子およびゲージフラックス）の直接的実験的証明を提供する。核磁気共鳴（NMR）を用いて、場磁界依存性およびゼロ場寄与を持つスピン励起ギャップを観測し、理論的予測と一致させ、非キタエフ相互作用が存在するにもかかわらずanyonへの分極化が成立することを確認した。これはトポロジカル量子計算への重要な一歩である。

ABSTRACT

Quantum spin liquid is a disordered magnetic state with fractional spin excitations. Its clearest example is found in an exactly solved Kitaev honeycomb model where a spin flip fractionalizes into two types of anyons, quasiparticles that are neither fermions nor bosons: a pair of gauge fluxes and a Majorana fermion. Here we demonstrate this kind of fractionalization in the Kitaev paramagnetic state of the honeycomb magnet $\alpha$-RuCl$_3$. The spin-excitation gap measured by nuclear magnetic resonance consists of the predicted Majorana fermion contribution following the cube of the applied magnetic field, and a finite zero-field contribution matching the predicted size of the gauge-flux gap. The observed fractionalization into gapped anyons survives in a broad range of temperatures and magnetic fields despite inevitable non-Kitaev interactions between the spins, which are predicted to drive the system towards a gapless ground state. The gapped character of both anyons is crucial for their potential application in topological quantum computing.

研究の動機と目的

• キタエフヘキサゴナル格子模型におけるスピン励起のanyonへの分極化を実験的に検証すること。
• 理論的に予測されたgapped anyon（メイオラフェルミ粒子およびゲージフラックス）が、非キタエフ相互作用を有する現実の材料においても存続するかどうかを特定すること。
• α-RuCl₃におけるスピン励起ギャップの場磁界および温度依存性を測定し、2つのanyon寄与を区別すること。
• ギャップが閉じる可能性がある摂動的スピン相互作用が存在する状況でも、anyonic分極化の安定性を評価すること。

提案手法

• 印加磁場下におけるα-RuCl₃のスピン励起スペクトルを調べるため、核磁気共鳴（NMR）を用いた。
• スピン-格子緩和率（1/T₁）を測定し、スピン励起ギャップおよびその場磁界依存性を抽出した。
• ギャップの場磁界依存性を分析し、メイオラフェルミ粒子に予測される立方則場依存性を特定した。
• ゼロ場ギャップ寄与を抽出し、キタエフ模型における予測されたゲージフラックスギャップと比較した。
• キタエフスピン液体の理論的モデルを用いてNMRデータを解釈し、anyon寄与を区別した。
• さまざまな温度および磁場範囲でギャップの安定性を評価し、非キタエフ相互作用に対する耐性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 α-RuCl₃におけるスピン励起ギャップは、メイオラフェルミ粒子に特徴的な立方則場依存性を示すか？
• RQ2 α-RuCl₃に予測されたゲージフラックスギャップの大きさと一致する有限のゼロ場ギャップが存在するか？
• RQ3 非キタエフスピン相互作用がギャップなしの基底状態を好む場合でも、gapped anyonへの分極化が維持されるか？
• RQ4 さまざまな温度および磁場条件下で、anyonic励起は現実の材料系においてどれほど安定か？

主な発見

• 観測されたα-RuCl₃のスピン励起ギャップは、理論的予測と一致する立方則場依存性を示し、メイオラフェルミ粒子励起に起因すると考えられる。
• 有限のゼロ場ギャップが測定され、キタエフ模型における予測されたゲージフラックスギャップの大きさと一致した。
• 非キタエフ相互作用が存在する中でも、メイオラフェルミ粒子およびゲージフラックスの両方がgappedであることが実験的に確認された。
• anyonic分極化は広い温度および磁場範囲で安定しており、摂動に対して耐性があることが示された。
• 実験的データにより、gapped anyonが現実の材料系に存在することの直接的証明が得られ、キタエフ模型の主要予測が裏付けられた。
• gappedかつ安定な性質を有するこれらのanyonを用いたトポロジカル量子計算の実現に向け、重要な基盤が確立された。