量子反強磁性体におけるトリプロン準粒子の分散関係がSSH模型を実現 東北大学など

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東北大学多元物質科学研究所、東京工業大学理学院、日本原子力研究開発機構J-PARCセンターは2019年5月10日、化学式Ba2CuSi2O6Cl2で表される量子反強磁性体において、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と発表した。

東北大学らの共同研究グループは今回、中性子非弾性散乱を用いて、Ba2CuSi2O6Cl2の波動を詳細に調べた。その結果、この物質におけるトリプロン準粒子の分散関係がSSH模型を実現していることが分かった。また、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も明らかになった。

下図は非弾性中性子散乱実験によって観測されたトリプロンの分散関係である。上側の1本の分散は2.6meVにおいて小さなエネルギーギャップを伴う分裂を示している。このエネルギーギャップはトリプロンが隣のサイトへと動く確率が大小交互に並んでいることを示している。

このSSH模型に対応する分散関係の計算結果とそれぞれの運動量における仮想磁場が下図だ。運動量が左から右に変化するに伴い仮想磁場が1回転している。この仮想磁場の回転はギャップ上下の準粒子に逆向きに回転する位相を与える。この結果、準粒子の分散は非自明なトポロジーで特徴付けられることになり、試料端においてはギャップの中心に端状態が生じることになる。

研究グループによると、Ba2CuSi2O6Cl2はSSH模型を磁気準粒子を用いて実現する初の物質例だという。Ba2CuSi2O6Cl2で実現する端状態の物性を実験的に捉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可能性があるとしている。

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