福井大など、マヨラナ粒子をスピン流によって観測する手法を提案

福井大学、東北大学、千葉大学、東京大学(東大)、科学技術振興機構(JST)の5者は3月6日、スピントロニクス分野でよく用いられる温度差によってスピンを流す「スピンゼーベック(SS)効果」現象を用いて、「量子スピン(QS)液体」状態に現れる「マヨラナ粒子」(粒子と反粒子が同一の中性フェルミ粒子の一種)の新しい検出手法を理論的に提案し、SS効果によって生じるスピン流の磁場・温度依存性に、マヨラナ粒子に特徴的な振る舞いが現れることを発見したと共同で発表した。

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  (a)SS効果。通常の強磁性体においては、熱勾配により、白矢印で示すように温度が高い方から低い方へとマグノンが流れることでスピン流が生じる。(b)KQS液体に現れるマヨラナ粒子は、スピン角運動量を持たないにも関わらず、同様に温度が高い方から低い方へと流れてスピン流を生じることが判明した。マグノンは下向きスピンを有し、スピン流に寄与する。一方、マヨラナ粒子は、スピン間の相互作用係数の正負に応じて、上向きスピンまたは下向きスピンの性質を帯びるため、スピン流の向きも変化することが見出された(出所:東北大プレスリリースPDF)

同成果は、福井大大学院 工学研究科の加藤康之准教授、東北大大学院 理学研究科の那須譲治准教授、千葉大大学院 理学研究院の佐藤正寛教授、東大大学院 理学系研究科の大久保毅特任准教授、東大 物性研究所の三澤貴宏特任准教授、東大大学院 工学系研究科の求幸年教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する物理学と応用物理学とその学際的な分野を扱う学術誌「Physical Review X」に掲載された。

実用的な量子コンピュータの実現には、現在の量子コンピュータが抱える高いエラー率を解決できる誤り訂正技術が不可欠だ。誤り耐性のある量子計算に関しては、「ボース粒子」(光子など、力を媒介する整数のスピンを持つ粒子の仲間)や「フェルミ粒子」(クォークや電子など、物質を構成する半数のスピンを持つ粒子の仲間)とは異なる、二次元空間でのみ現れる特殊な「エニオン粒子」の操作によって実現する手法「トポロジカル量子計算」が提案されている。同計算手法は、物質のトポロジーを利用することで、周辺環境からの擾乱(じょうらん)によるエラーから量子状態を保護し、維持する仕組みを持つ。