東北大ら,量子磁性体でのトポロジカル準粒子を観測

東北大学,東京工業大学,日本原子力研究開発機構の研究グループは,量子反強磁性体Ba2CuSi2O6Cl2において,トリプロンと呼ばれる磁気準粒子がトポロジカルに非自明な状態を形成することを明らかにし,トポロジカルに保護された端状態の存在を提案した(ニュースリリース)。

トポロジカル絶縁体状態を実現する最も基礎的な電子模型として1次元格子上を電子が流れるSu-Schriffer-Heeger(SSH)模型が知られている。この模型において,隣の原子への遷移確率が大小交互に並ぶ場合,電子は原子の対に束縛され絶縁体になる。遷移確率の配列には2種類が考えられるが,端原子を含む原子対間の遷移確率が大きな場合絶縁体状態は,トポロジカルな性質を持たない。

一方で,端原子を含む原子対間の遷移確率が小さな場合,端の電子が余り端状態を生じる。この端状態は2次元・3次元トポロジカル絶縁体における表面状態に対応し,トポロジカルに保護されていることが知られている。

磁性体においては,電子スピン(電子の自転)の変動が結晶中を伝播することで,マグノンやトリプロンなどの準粒子の流れが生じることが知られている。

これらの磁気準粒子は,電子とは量子力学的統計性が異なるものの,同様のトポロジカルな性質を持つと期待できる。したがって,磁気準粒子を用いたSSH模型の実現の可能性が考えられるが,実際に観測された例はこれまでなかった。

今回,研究グループは,反強磁性体(Ba2CuSi2O6Cl2)中のトリプロンの波動を中性子非弾性散乱を用いて詳細に調べ,この物質においてトリプロン準粒子のSSH模型が実現していること,さらに,トリプロンの波動関数がトポロジカルな性質を持っており,端状態が存在することを突き止めた。

研究グループは,この物質はトポロジカル絶縁体の最も基礎的な電子模型であるSSH模型を,磁気準粒子を用いて実現する初めての物質例とし,この物質で実現する端状態の物性を実験的にとらえることができれば,将来的には省エネルギー情報伝達材料の高度化にもつながるとしている。

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