量子スピン液体におけるマヨラナ粒子の創出と制御

プロジェクトの概要

本プロジェクトでは、強相関電子系に現れる奇妙な量子状態のひとつである「量子スピン液体」において、スピン自由度の分数化（fractionalization）によって生じるマヨラナ粒子やエニオンを、自在に創出・制御・観測する手法を理論的に生み出すことを目指しています。これにより、トポロジカル量子計算の基礎理論を確立することが目標です。磁性研究の枠に捉われない広い視点から、量子計算の実現へ向けた理論構築と実験提案を行なっていきます。

研究内容

本プロジェクトでは、キタエフ型量子スピン液体において分数励起として現れるマヨラナ粒子を、現実の磁性体中に安定に創出し、制御し、観測する手法を理論的に構築することを目指しています。具体的には、以下の点を明らかにすることを目標とします。

マヨラナ粒子をどのように励起するか、特に磁場中ではエニオンとして振る舞うことが予想されているが、このエニオン励起をどのように創出するか
これらの励起をどのように空間・時間的に制御して、トポロジカル量子計算に必要となる編み込み（braiding）や融合（fusion）といった操作をどのように実現するか
そうした操作の結果をどのように観測するか
これらにより可能となるトポロジカル量子計算は、他のマヨラナ系と何が異なるのか、あるいは量子スピン液体を利用するメリットは何か

トポロジカル量子計算には、空間的に局所的で時間発展を伴うオペレーションが必要となります。したがって、上記の点を明らかにするためには、マクロな測定や平衡状態の性質だけではなく、空間的な局所性や実時間ダイナミクスを解明することが不可欠となります。そこで本プロジェクトでは、格子欠陥や端に代表される空間的な制約や、局所的な格子変形や局所磁場などの空間的に限定された擾乱、様々な磁性体や金属、超伝導体との界面・接合を通じた近接効果やスピン流注入、光や交流磁場や超音波によるフォノン励起といった空間的・時間的入力に対する応答を解明します。そのために、プロジェクトメンバーが有する数値計算手法を相補的に駆使して研究を遂行していきます。

メンバー

研究代表者：求幸年（東京大学大学院工学系研究科・教授）

研究分担者：大久保毅（東京大学大学院理学系研究科・特任准教授）

　　　　　　加藤康之（福井大学学術研究院工学系部門・准教授）

　　　　　　那須譲治（東北大学大学院理学研究科・准教授）

特任研究員：福井毅勇（東京大学大学院工学系研究科・特任研究員）

研究協力者：三澤貴宏（東京大学物性研究所・特任准教授）

　　　　　　井戸康太（東京大学物性研究所・助教）

イベント

研究会「キタエフ量子スピン液体研究の新展開~マヨラナ励起の創出と制御によるトポロジカル量子計算の実現に向けて~」

　日時：2021年8月3日(火)、4日(水)、5日(木)の13:00-17:30（最終日のみ17:00まで）

　場所：オンライン開催

　詳細はこちら

雑誌「固体物理特集号"キタエフスピン液体の新展開"(編集委員：芝内孝禎・遠山貴巳・求幸年)」

　詳細は固体物理 57, 613-784 (2022)

研究成果

プレプリント

Y.-F. Zhao, S.-H. Jang, and Y. Motome, preprint (arXiv:2403.09112), "Spin-Orbit Coupled Insulators and Metals on the Verge of Kitaev Spin Liquids in Ilmenite Heterostructures"
S.-H. Jang and Y. Motome, preprint (arXiv:2402.18837), "Exploring rare-earth Kitaev magnets by massive-scale computational analysis"
K. Inui and Y. Motome, preprint (arXiv:2402.15802), "Inverse Hamiltonian design of highly-entangled quantum systems"
K. Fukui, Y. Kato, and Y. Motome, preprint (arXiv:2402.05516), "Magnetic field effects on the Kitaev model coupled to environment"
Y. Kato, J. Nasu, M. Sato, T. Okubo, T. Misawa, and Y. Motome, preprint (arXiv:2401.13175), "Spin Seebeck Effect as a Probe for Majorana Fermions in Kitaev Spin Liquids"
L. Zhang and Y. Motome, preprint (arXiv:2310.01075), "Possible Realization of Kitaev Spin Liquids in van der Waals Heterostructures of α-RuCl₃ and CrX₃ (X=Cl and I)"

出版論文

S.-H. Jang and Y. Motome, AIP Advances 14, 015229 (2024), "Metallic ruthenium ilmenites: first-principles study of MgRuO₃ and CdRuO₃"
C. Harada, A. Ono, and J. Nasu, Phys. Rev. B 108, L24118 (2023), "Field-driven spatiotemporal manipulation of Majorana zero modes in a Kitaev spin liquid"
T. Misawa, J. Nasu, and Y. Motome, Phys. Rev. B 108, 115117 (2023), "Interedge spin resonance in the Kitaev quantum spin liquid"
K. Fukui, Y. Kato, and Y. Motome, J. Phys. Soc. Jpn. 92, 064708 (2023), "Ground-State Phase Diagram of the Kitaev-Heisenberg Model on a Three-dimensional Hyperhoneycomb Lattice"
R. Pohle, N. Shannon, and Y. Motome, Phys. Rev. B 107, L140403 (2023), "Spin Nematics Meet Spin Liquids: Exotic Quantum Phases in the Spin-1 Bilinear-Biquadratic Model with Kitaev Interactions"
K. Inui and Y. Motome, Commun. Phys. 6, 37 (2023), "Inverse Hamiltonian design by automatic differentiation"
K. Fukui, Y. Kato, J. Nasu, and Y. Motome, Phys. Rev. B 106, 174416 (2022), "Ground-state phase diagram of spin-S Kitaev-Heisenberg models"
S. Suetsugu, Y. Ukai, M. Shimomura, M. Kamimura, T. Asaba, Y. Kasahara, N. Kurita, H. Tanaka, T. Shibauchi, J. Nasu, Y. Motome, and Y. Matsuda, J. Phys. Soc. Jpn. 91, 124703 (2022), "Evidence for a Phase Transition in the Quantum Spin Liquid State of a Kitaev Candidate α-RuCl₃"
J. Nasu Y. Murakami, and A. Koga, Phys. Rev. B 106, 024411 (2022), "Scattering phenomena for spin transport in Kitaev spin liquid"
K. Fukui, Y. Kato, J. Nasu, and Y. Motome, Phys. Rev. B 106, 014419 (2022), "Feasibility of Kitaev quantum spin liquids in ultracold polar molecules"
K. Nakazawa, Y. Kato, and Y. Motome, Phys. Rev. B 105, 165152 (2022), "Asymmetric modulation of Majorana excitation spectra and nonreciprocal thermal transport in the Kitaev spin liquid under a staggered magnetic field"
D. Adachi, T. Okubo, and S. Todo, Phys. Rev. B 105, L060402 (2022), "Bond-weighted tensor renormalization group"
S. Koyama and J. Nasu, J. Phys.: Conf. Ser. 2164, 012071 (2022), "Field-angle dependence of thermal transport in Kitaev-Γ model"
K. Inui, Y. Kato, and Y. Motome, Phys. Rev. Research 3, 043126 (2021), "Determinant-free fermionic wave function using feed-forward neural networks"
S.-H. Jang and Y. Motome, Phys. Rev. Materials 5, 104409 (2021), "Electronic and magnetic properties of iridium ilmenites AIrO₃ (A= Mg, Zn, and Mn)"
P. A. Mishchenko, Y. Kato, and Y. Motome, Phys. Rev. D 104, 074517 (2021), "Quantum Monte Carlo method on asymptotic Lefschetz thimbles for quantum spin systems: An application to the Kitaev model in a magnetic field"
H. Taguchi, Y. Murakami, A. Koga, and J. Nasu, Phys. Rev. B 104, 125139 (2021), "Role of Majorana fermions in spin transport of anisotropic Kitaev model"
S.-H. Jang, Y. Kato, and Y. Motome, Phys. Rev. B 104, 085142 (2021), "Vortex creation and control in the Kitaev spin liquid by local bond modulations"
S. Koyama and J. Nasu, Phys. Rev. B 104, 075121 (2021), "Field-angle dependence of thermal Hall conductivity in a magnetically ordered Kitaev-Heisenberg system"
J. Nasu and Y. Motome, Phys. Rev. B 104, 035116 (2021), "Spin dynamics in the Kitaev model with disorder: Quantum Monte Carlo study of dynamical spin structure factor, magnetic susceptibility, and NMR relaxation rate", Editors' suggestion
A. Koga, Y. Murakami, and J. Nasu, Phys. Rev. B 103, 214421 (2021), "Majorana correlations in the Kitaev model with ordered-flux structures"
J. Nasu and Y. Motome, Phys. Rev. B 102, 054437 (2020), "Thermodynamic and transport properties in disordered Kitaev models"
T. Eschmann, P. A. Mishchenko, K. O'Brien, T. A. Bojesen, Y. Kato, M. Hermanns, Y. Motome, and S. Trebst, Phys. Rev. B 102, 075125 (2020), "Thermodynamic classification of three-dimensional Kitaev spin liquids"

レビュー等

張成燻、求幸年：固体物理 57, 757 (2022), "キタエフスピン液体の物質設計"
那須譲治、古賀昌久：固体物理 57, 703 (2022), “キタエフ量子スピン液体におけるスピン輸送―マヨラナ準粒子によるスピン変動を伴わないスピン伝播―”
大久保毅：固体物理 57, 633 (2022), “拡張キタエフ模型における熱ホール伝導度のテンソルネットワーク法による研究”
固体物理特集号 57, 613-784 (2022), "キタエフスピン液体の新展開" (編集委員：芝内孝禎・遠山貴巳・求幸年)

特許

特願 2023-025883「情報処理システム、情報処理方法およびプログラム」求幸年、小林海翔（2023年2月22日出願）

国際会議等発表

K. Inui and Y. Motome, "Inverse Hamiltonian design of highly-entangled quantum many-body systems", APS March Meeting 2024, Minneapolis, USA (Mar. 2024)
K. Fukui, Y. Kato, and Y. Motome, "Effect of a magnetic field on the Kitaev model coupled to environment", APS March Meeting 2024, Minneapolis, USA (Mar. 2024)
L. Zhang and Y. Motome, "Ab initio study for heterostructures of a Kitaev magnet α-RuCl₃ and CrX₃ (X=Cl and I)", APS March Meeting 2024, Minneapolis, USA (Mar. 2024)
Y.-F. Zhao, S.-H. Jang, and Y. Motome, "Spin-orbit coupled insulators and metals on the verge of Kitaev spin liquids in ilmenite heterostructures", APS March Meeting 2024, Minneapolis, USA (Mar. 2024)
K. Kobayashi and Y. Motome, "SQuantum reservoir probing of information propagation and scrambling", APS March Meeting 2024, Minneapolis, USA (Mar. 2024)
Y. Kato, J. Nasu, M. Sato, T. Okubo, T. Misawa, and Y. Motome, "Spin Seebeck effect in the Kitaev spin liquid", APS March Meeting 2024, Minneapolis, USA (Mar. 2024)
Y. Kato, "Spin Seebeck effect in the Kitaev spin liquid", CEMS Symposium on Emergent Quantum Materials 2024, Tokyo, Japan (Feb. 2024)
K. Fukui, "Effect of a magnetic field on the Kitaev model coupled to environment", Physics of Open Systems and Beyond (POS&BYD), Sapporo, Japan (Aug. 2023)
Y. Motome, "Computational design of Kitaev materials", International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023 (QLC2023), Sapporo, Japan (Aug. 2023)
Y. Motome, "Nonequilibrium Spin Dynamics in Kitaev Spin Liquids", Quantum Magnetism and Topology (QMT2023), Pohang, Korea (Jun. 2023)
Y. Motome, "Kitaev magnets as a Majorana platform", 8th International Conference on Superconductivity and Magnetism (ICSM2023), Fethiye, Turkey (May 2023)
K. Inui and Y. Motome, "Inverse Hamiltonian design by automatic differentiation", APS March Meeting 2023, Las Vegas, USA (Mar. 2023)
J. Nasu, "Propagation and manipulation of fractional quasiparticles in Kitaev spin liquids", Workshop "Trends in Topological Materials Science and beyond", Prague, Czech Republic (Mar. 2023)
Y. Motome, "Materials perspective on Kitaev spin liquids", International workshop on Novel Quantum States in Condensed Matter 2022 (NQS2022), Kyoto (hybrid) (Nov.-Dec. 2022)
T. Okubo, "Tensor network representation of Kitaev spin liquid and its application to quantum circuit-based variational calculations", International workshop on Novel Quantum States in Condensed Matter 2022 (NQS2022), Kyoto (hybrid) (Nov.-Dec. 2022)
T. Okubo, "Tensor network approach to two-dimensional frustrated spin system", APCTP-IACS-SNBNCBS Workshop on Computational Methods for Emergent Quantum Matter: From Theoretical Concepts to Experimental Realization, Kolkata, India (Nov. 2022)
T. Okubo, "Tensor network approach to Kitaev spin liquid", The 15th Asia Pacific Physics Conference, Online (Aug. 2022)
R. Pohle, "Spin liquid and nematic states in the spin-1 honeycomb Kitaev model with bilinear-biquadratic interactions", 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29), Sapporo (Hybrid) (Aug. 2022)
Y. Motome, "Kitaev spin liquid materials as a Majorana platform", International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2022 (SCES2022), Amsterdam (Jul. 2022)
J. Nasu, "Nonequilibrium dynamics and spin transport caused by fractional quasiparticles in Kitaev spin liquids", 11th International Conference on Highly Frustrated Magnetism 2022 (HFM22), Paris, France (Jun. 2023)
Y. Kasahara, S. Suetsugu, Y. Ukai, M. Shimomura, H. Murayama, T. Asaba, N. Kurita, H. Tanaka, Y. Mizukami, K. Hashimoto, T. Shibauchi, J. Nasu, Y. Motome, and Y. Matsuda, "Thermodynamic evidence for a topological phase transition in a spin liquid state of α-RuCl₃", APS March Meeting 2022, Online (Mar. 2022)
K. Inui, Y. Kato, and Y. Motome, "Determinant-free fermionic wave function using feed-forward neural networks", APS March Meeting 2022, Online (Mar. 2022)
K. Nakazawa, Y. Kato, and Y. Motome, "Thermal transport in the Kitaev spin liquid under a staggered magnetic field", APS March Meeting 2022, Online (Mar. 2022)
S. Suetsugu, U. Yuzuki, M. Shimomura, Y. Kasahara, H. Murayama, T. Asaba, N. Kurita, H. Tanaka, Y. Mizukami, K. Hashimoto, T. Shibauchi, J. Nasu, Y. Motome, and Y. Matsuda, "Field-induced first-order topological phase transition in a Kitaev spin liquid candidate α-RuCl₃", APS March Meeting 2022, Online (Mar. 2022)
K. Fukui, Y. Kato, J. Nasu, and Y. Motome, "Ground state phase diagram of the Kitaev-Heisenberg model with general spin S", APS March Meeting 2022, Online (Mar. 2022)
J. Nasu and A. Koga, "Low-energy and thermodynamic properties of spin-S Kitaev models", APS March Meeting 2022, Online (Mar. 2022)
J. Nasu, "Finite-Temperature Spin Dynamics and Transport Phenomena in Kitaev Quantum Spin Liquids", 2021 Winter Conference of the Korean Magnetics Society, Online (Nov. 2021)
Y. Motome, "Majorana fermions in the Kitaev model: past, present, and future", 10th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information, Online (Dec. 2020)

国内会議等発表

福井毅勇, 求幸年, "毘沙門亀甲格子上のキタエフ模型におけるトポロジカルマヨラナフラットバンド", 日本物理学会毘沙門亀甲格子上のキタエフ模型におけるトポロジカルマヨラナフラットバンド（オンライン, 2024年3/22-25）
張凌志, 求幸年, "Ab initio study for heterostructures of a Kitaev magnet α-RuCl₃ and CrX₃ (X=Cl and I)", 日本物理学会第78回年次大会（東北大, 2023年9/12-15）
福井毅勇, 加藤康之, 求幸年, "磁場中の非エルミートキタエフ模型における表皮効果と端状態", 日本物理学会第78回年次大会（東北大, 2023年9/12-15）
加藤康之, 那須譲治, 大久保毅, 三澤貴宏, 佐藤正寛, 求幸年, "キタエフスピン液体におけるスピンゼーベック効果", 日本物理学会第78回年次大会（東北大, 2023年9/12-15）
大久保毅, "テンソルネットワーク法による量子古典エンタングルアルゴリズムの提案", 物性研究のための量子アルゴリズム最前線（大阪大学ハイブリッド開催, 2023年3/28-29）
井戸康太, 三澤貴宏, "多変数変分モンテカルロ法を用いた拡張キタエフ模型の解析", 日本物理学会2023年春季大会（オンライン開催, 2023年3/22-25）
福井毅勇, 加藤康之, 求幸年, “非エルミートキタエフ模型における磁場誘起トポロジカル転移“, 日本物理学会2023年春季大会（オンライン開催, 2023年3/22-25）
張成燻, 求幸年, “4f電子系におけるキタエフ型相互作用の理論的探索“, 日本物理学会2023年春季大会（オンライン開催, 2023年3/22-25）
張成燻, 求幸年, “4d電子系イルメナイト型金属ARuO3 (A=Mg, Cd)の結晶構造と電子状態に関する第一原理計算による研究“, 日本物理学会2023年春季大会（オンライン開催, 2023年3/22-25）
三澤貴宏, 那須譲治, 求幸年, “キタエフスピン液体におけるエッジ間のスピン共鳴“, 日本物理学会2023年春季大会（オンライン開催, 2023年3/22-25）
R. Pohle, N. Shannon, Y. Motome, “Eight-color chiral spin liquid on a S=1 honeycomb Kitaev model with biquadratic interactions”, 日本物理学会2023年春季大会（オンライン開催, 2023年3/22-25）
清水康弘, 山本純哉, 小林義明, 松下琢, 伊藤正行, 求幸年, 那須譲治, 山中隆義, 木俣基, 佐々木孝彦, “α-RuCl₃におけるスピン励起の異方性“, 日本物理学会2023年春季大会（オンライン開催, 2023年3/22-25）
求幸年, "Kitaevスピン液体とエニオン", （チュートリアル講演）, 物性研短期研究会「固体におけるエニオンと分数統計粒子研究の最前線」 (東京大学物性研ハイブリッド開催, 2023年2月)
求幸年, "Kitaev magnets as a Majorana platform", 107th RIKEN CEMS Colloquium (理化学研究所ハイブリッド開催, 2022年12月)
求幸年, "量子スピン液体：磁性とトポロジーが出会う不思議な量子状態", 日本物理学会第12回オンライン物理講話 (オンライン, 2022年12月)
福井毅勇, 加藤康之, 求幸年, "3次元ハイパーハニカム格子Kitaev-Heisenberg模型の基底状態相図", 2022年秋季大会（東工大, ハイブリッド, 2022年9/12-15）
Rico Pohle, Nic Shannon, Yukitoshi Motome, "Possible chiral spin liquid on the spin-1 Kitaev-honeycomb model with bilinear-biquadratic interactions", 2022年秋季大会（東工大, ハイブリッド, 2022年9/12-15）
大久保毅, "PESS型テンソルネットワークによる拡張キタエフ模型の解析", 2022年秋季大会（東工大, ハイブリッド, 2022年9/12-15）
乾幸地, 求幸年, "自動微分を用いた光起電力を最大化するハミルトニアンの逆設計", 2022年秋季大会（東工大, ハイブリッド, 2022年9/12-15）
大久保毅, "テンソルネットワーク法の量子多体問題への適用と量子計算機への展開", 量子多体計算のフロンティア（オンライン開催, 2022年3/28）
神村真志, 下邨真輝, 鵜飼柚希, 末次祥大, 浅場智也, 笠原裕一, 栗田伸之, 田中秀数, 芝内孝禎, 那須譲治, 求幸年, 松田祐司, "Kitaevスピン液体候補物質α-RuCl₃における磁場誘起トポロジカル相転移", 日本物理学会第77回年次大会（オンライン開催, 2022年3/15-19）
R. Pohle, N. Shannon, and Y. Motome, "Spin liquid and nematic states in the spin-1 honeycomb Kitaev model with bilinear-biquadratic interactions", 日本物理学会第77回年次大会（オンライン開催, 2022年3/15-19）
乾幸地, 求幸年, "機械学習を応用したトポロジカルな性質を持つハミルトニアンの自動設計", 日本物理学会第77回年次大会（オンライン開催, 2022年3/15-19）
大久保毅, "キタエフ量子スピン液体の量子回路表現とその最適化", 日本物理学会第77回年次大会（オンライン開催, 2022年3/15-19）
大久保毅, "量子物理とテンソルネットワーク", 第1回量子ソフトウェアワークショップ：テンソルネットワークと量子計算の展望（オンライン開催, 2021年12/7）
山本純哉, 清水康弘, 小林義明, 松下琢, 伊藤正行, 那須譲治, 求幸年, "α-RuCl₃におけるスピン励起の異方性", 日本物理学会2021年秋季大会（オンライン開催, 2021年9/20-23）
乾幸地, 加藤康之, 求幸年, "行列式を組み合わせた畳み込み型ニューラルネットワークによるフェルミオン多体系波動関数近似", 日本物理学会2021年秋季大会（オンライン開催, 2021年9/20-23）
乾幸地, 加藤康之, 求幸年, "行列式を用いないフィードフォワード型ニューラルネットワークによるフェルミオン多体波動関数近似", 日本物理学会2021年秋季大会（オンライン開催, 2021年9/20-23）
福井毅勇, 加藤康之, 那須譲治, 求幸年, "スピンS>1/2Kitaev-Heisenberg模型の基底状態相図", 日本物理学会2021年秋季大会（オンライン開催, 2021年9/20-23）
張成燻, ○求幸年, "ハニカム構造をもつイルメナイトイリジウム酸化物MIrO₃ (M=Mg, Zn, Mn)の電子状態と磁性", 日本物理学会第76回年次大会（オンライン開催, 2021年3/12-15）
仲澤一輝, 加藤康之, 求幸年, "交代磁場中のキタエフスピン液体が示す熱輸送", 日本物理学会第76回年次大会（オンライン開催, 2021年3/12-15）
張成燻, 加藤康之, 求幸年, "キタエフスピン液体における局所的な擾乱がもたらすエニオンの生成と制御", 日本物理学会第76回年次大会（オンライン開催, 2021年3/12-15）
大久保毅, 那須譲治, 三澤貴宏, 求幸年, "キタエフ量子スピン液体の熱ホール伝導度に対する非対角相互作用の効果", 日本物理学会第76回年次大会（オンライン開催, 2021年3/12-15）
大乾幸地, 加藤康之, 求幸年, "フィードフォワード型ニューラルネットを用いたフェルミオン多体波動関数近似", 日本物理学会第76回年次大会（オンライン開催, 2021年3/12-15）
福井毅勇, 加藤康之, 那須譲治, 求幸年, "冷却極性分子系でのKitaev量子スピン液体の実現について：汎関数繰り込み群による研究", 日本物理学会第76回年次大会（オンライン開催, 2021年3/12-15）

お問合せ

求幸年（研究代表者）

e-mail: motome_at_ap.t.u-tokyo.ac.jp
tel: 03-5841-6815, fax: 03-5841-8897

〒113-8656　東京都文京区本郷7-3-1　東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻

URL: http://www.motome-lab.t.u-tokyo.ac.jp

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