ぶひんブログ

初版：2022/1/23 第2版：2022/5/23 第3版：2022/6/30  [イントロ] 　量子スピン液体は、 P. W. Anderson によって提唱された磁性体の新奇な磁気状態です。この状態は、スピンフラストレーションによる大きな量子ゆらぎにより、極低温でもスピンが秩序化しない状態です[1, 2]。 　この量子スピン液体研究のブレークスルーの1つが、三角格子有機磁性体β′-EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2における比熱、磁化率、そして熱伝導度の金属的振る舞いです。その結果は、量子スピン液体状態におけるスピノンFermi面の存在を示唆しており、注目を集めています。しかし、これらの測定結果のうち、熱伝導度の測定結果について2019年以来、日本のグループと中国、カナダのグループで矛盾した結果が報告されており、議論が続いています。 　そこで本記事では、この議論の経緯をまとめてみることにします。 [論争の流れ] 　有機物量子スピン液体の熱伝導論争は、おおよそ以下のような経緯をたどっています。国内外の学会で議論された内容もあるようですが、公に出版されている論文を元にまとめています。また、実際にはArxivに論文が出た時点でこれらの議論が始まっていましたが、下記では出版されている論文を引用しています。Arxivのバージョン間の内容の違いをみれば、リアルタイムで議論が行われている様子がわかりますのでご参考ください。 (※2022/2/19 追記：一部議論の時系列に誤りがあるとのご指摘をコメントで頂きました。正確な時系列は、コメント欄の加藤先生のご解説、及び下記論文のArxiv版バージョン間の議論の変化をご確認ください。） 有機物量子スピン液体候補物質の1つ、β′-EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2が絶縁体にも関わらず、極低温で金属並の熱伝導度を示すことが京大グループによりScience誌に報告される。 ・M. Yamashita et al., Science 328, 1246 (2010) 図、β′-EtMe3Sb[Pd(dmit)2]2の熱伝導度の温度依存性 9年後、中国とカナダのグループが独立に追試を行ったところ、極低温の熱伝導度がゼロになり、Science論文の結果を再現できなかったことをPRLとPRXにそれぞれ報告する。 ・J. ...

20220122 初版 20230308、0309 追記 【イントロ】 　近年、次世代の計算手法として、量子コンピュータの研究開発が盛んに進められています。量子コンピュータの方式としては、超伝導、半導体、光量子コンピュータなど様々な手法が提案されています[1]。 　その中に、マヨラナ粒子を用いたトポロジカル量子コンピュータと呼ばれる手法があります[2]。この方式の実現のためには、固体中のマヨラナ粒子(マヨラナフェルミオン)を操作する必要があります。その舞台として提案されているのが量子スピン液体と呼ばれる状態（相）にある物質です。様々な量子スピン液体物質候補が探索されていますが、マヨラナ粒子の存在が強く示唆されているのがα-RuCl3という物質で生じる磁場誘起量子スピン液体相です[3]。この磁場誘起量子スピン液体相で観測される半整数量子化熱ホール効果がマヨラナ粒子の強い証拠と考えられています。しかし、この量子化熱ホール効果が「見える」「いや、見えない」という論争が生じています。 　最近の論争の現状は、Journal Club for Condensed Matter Physicsに掲載された、P. A. Lee先生の投稿[4]にまとめられています。本記事では、この投稿を元に論争の現状をまとめてみました。 【論争の経緯と現状】 １，発端 　論争の発端になったのが、2018年に京都大のグループを中心に報告されたNature論文[5]です。この論文では、磁場誘起量子スピン液体相の熱ホール効果を測定したところ、フェルミオン励起から予測される値の半分の値の量子化熱ホール効果が観測され、マヨラナフェルミオン粒子の存在が主張されています。この最初の論文では、α-RuCl3のハニカム格子面に垂直な方向と水平な方向の両方に磁場をかけ(斜め45°の意味)、面内のa軸方向（Ru-Ruボンドと垂直方向）に熱流を流していました。さらに、続報としてScienceに論文[6]が掲載され、熱流方向と同じ面内の a軸方向に磁場をかけるだけで量子化熱ホール効果が観測できることが報告されています(このことから、観測されている熱ホール効果は、プレーナー熱ホール効果とも呼ばれています）。 　ここで、Nature論文では面内に6.5-８T相当の磁場をかけた際に量子化が観測される一方で、Science...