キタエフスピン液体候補物質におけるトポロジカル相転移探索

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本研究は、キタエフ模型において期待されるマヨラナ粒子のバルク状態の性質を調べることを目的としている。近年、キタエフ量子スピン液体候補物質であるalpha-RuCl3において、熱ホール効果を始めとしてマヨラナ粒子の存在を示す結果が報告されている。熱ホール効果は、マヨラナ粒子のエッジ流により生ずることが当初理論的に予測されており、その後実験的に報告された。一方、バルク・エッジ対応として、このエッジ状態に対するバルク状態が存在するが、そのバルク状態の詳細な励起構造はまだ明らかになっていなかった。本研究では、精密な比熱測定を磁場角度回転環境下で行うことで、マヨラナ粒子のバルク状態の磁場角度に対する励起構造変化を調べた。試料の磁場角度に対する高精度な変化を検出するためには、単一単結晶を対象とした測定が望ましく、その場合は高感度な熱量計が必要となる。本研究では、ナノグラム級試料に対して磁場角度回転環境下で測定可能な高感度な熱量計を構築し測定を行った。その結果、alpha-RuCl3においてa軸と等価な方向では、励起ギャップが開いている一方、b軸と等価な方向にはディラック型の分散を反映したギャップレスな励起が生ずることが明らかとなった。磁場を蜂の巣格子面内で角度変化させる場合においては、6つのギャップレスな方向を持つ6回対称性を持つ励起ギャップと、それを反映した比熱の振動が観測された。これは、キタエフ模型において予測されるマヨラナ粒子の励起ギャップと一致しており、そのバルク状態を実験的に明らかにしたと言える。一方、10T以上のより高磁場領域においてはキタエフ量子スピン液体状態から少し外れる振る舞いを観測しており、今後の研究によりその起源を明らかにする必要がある。