【本学研究者情報】

〇大学院理学研究科物理学専攻
准教授　水上雄太（みずかみ　ゆうた）
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 蜂の巣格子を持つ磁性絶縁体a-RuCl₃（塩化ルテニウム）はマヨラナ粒子が存在する舞台として盛んに研究がなされてきましたが、現実物質中に必ず存在する不純物や欠陥がマヨラナ粒子に与える影響は未解明でした。

• 今回、高エネルギーの電子線を照射することにより、人工的に導入した欠陥がマヨラナ粒子の局在状態を誘起することを明らかにしました。

• 欠陥がマヨラナ粒子に与える影響を明らかにしたことで、実際の物質中におけるマヨラナ粒子の安定性の解明につながり、現実物質におけるトポロジカル量子コンピューター実現の可能性が広がることが期待されます。

【概要】

東京大学大学院新領域創成科学研究科の今村薫平大学院生、水上雄太助教（研究当時、現在東北大学大学院理学研究科准教授）、橋本顕一郎准教授、芝内孝禎教授、京都大学大学院理学研究科の松田祐司教授、学習院大学大学院自然科学研究科の山田昌彦研究員（研究当時、現在東京大学大学院理学系研究科特任講師）らの研究グループは、東京工業大学、仏エコールポリテクニークと共同で、環境ノイズに非常に強いトポロジカル量子コンピューター（注1）の実現の鍵となる「マヨラナ粒子（注2）」の局在状態が物質中の欠陥により誘起されることを明らかにしました。

これまで、磁性絶縁体?-RuCl3において、本研究チームの報告を始めとして、マヨラナ粒子が存在する証拠が得られています。しかし、現実の物質中においては、どんなにきれいな試料においても必ず不純物や欠陥が存在するため、それらがマヨラナ粒子に与える影響を明らかにすることが求められていました。

今回、高エネルギーの電子線を照射することにより人工的に導入した欠陥がマヨラナ粒子の局在状態を誘起し、マヨラナ粒子の数が変化することを観測しました。このことにより、物質中のマヨラナ粒子の不純物に対する安定性が明らかになると考えられます。マヨラナ粒子は磁場下において、非可換エニオン（注3）という特殊な粒子になり、トポロジカル量子コンピューターに応用可能と考えられています。そのため、本研究成果は物質中における非可換エニオンを用いたトポロジカル量子コンピューター実現の可能性を広げると期待されます。

本研究成果は2024年3月11日付けで、米国科学誌 Physical Review Xにオンライン掲載されました。

【用語解説】

（注1）トポロジカル量子コンピューター
従来の量子コンピューターとは異なる物理系を用いて、量子計算を行う次世代型の量子コンピューターである。外乱に対して強いトポロジカルな性質を利用するため、周囲の環境の変化に強く、本質的にエラーを起こしにくいコンピューターになると期待される。

（注2）マヨラナ粒子
1937年にエットーレ?マヨラナにより理論的に提案された素粒子である。一般的に、電子等に代表される粒子には、その電荷などの性質が反対となる反粒子が存在する。例えば電子の場合は、陽電子がその反粒子である。これに対し、マヨラナ粒子は、粒子と反粒子が同一となる性質を持つ。

（注3）非可換エニオン
通常の三次元空間において粒子はボーズ粒子とフェルミ粒子に分けられる。数学的には、ボーズ粒子においては、二つの粒子の入れ替え操作に対してその波動関数に1がかかり、フェルミ粒子においては、－1がかかる。一方、二次元空間においては、より一般的に二つの粒子の入れ替え操作により波動関数に±1以外の複素数がかけられる粒子が考えられ、これはエニオンと呼ばれる。通常のエニオンにおける粒子の入れ替え操作は、波動関数の位相が変化するのみとみなせるが、これに対して粒子の入れ替え操作により、もとの状態と全く異なる状態になってしまう場合があり、これを非可換エニオンという。

詳細（プレスリリース本文）

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東北大学大学院理学研究科物理学専攻
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