自身の反粒子に等しい奇妙なマヨラナ粒子、物質の中での確認に大きく前進

量子コンピュータなどの実現に期待

2015.10.21

国立研究開発法人　物質・材料研究機構 (NIMS)

NIMS MANAのグループは、今年1月に中国の研究グループによって報告された特殊な超伝導状態に関する実験結果がマヨラナ粒子の存在証拠になっていることを理論的に示しました。

概要

国立研究開発法人物質・材料研究機構国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (WPI-MANA) の川上拓人特別研究員と古月暁主任研究者のグループは、今年1月に中国の研究グループによって報告された特殊な超伝導状態に関する実験結果がマヨラナ粒子の存在証拠になっていることを理論的に示しました。
マヨラナ粒子は1937年にイタリアの理論物理学者E.マヨラナによって予言されたもので、フェルミ粒子でありながら、自身の反粒子と同一です。素粒子としてのマヨラナ粒子は80年近く経った今でも確認されていませんが、近年、トポロジカル超伝導体と呼ばれる特殊な材料の準粒子励起がマヨラナ粒子として振舞うことが理論的に指摘されました。しかし、エネルギーがゼロで、電気的に中性等のユニークな性質ゆえ、物質の中でマヨラナ粒子を捕らえることが難しく、その存在確認に向けて国際的な競争が繰り広げられています。
本研究グループは、今年1月に報告された実験研究の物理的諸条件を精査し、超伝導準粒子励起について大規模かつ高精度な理論解析を行い、実験結果と照らし合わせることによって、マヨラナ粒子がトポロジカル超伝導体の量子渦の中で捕らえられていることを理論的に示しました。さらに、マヨラナ粒子の量子力学的な特性を利用して、実験精度を上げる具体的な方法も提示しました。
自身の反粒子に等価なマヨラナ粒子の集団としての振る舞いは電子や光子と異なり、強靭な量子計算機の構築に使えると考えられています。また、エネルギーがゼロになっているマヨラナ粒子のダイナミクスも非常にユニークで、さまざまな新規量子機能の創成に役立ちます。従って、マヨラナ粒子の高い精度での確認は物質・材料の科学と技術の新展開に非常に大きな波及効果をもたらすと期待されます。
研究成果は、米国物理学会の論文誌Physical Review Letters誌にて近日中にオンラインで掲載される予定です。

プレスリリースの図1 : 　トポロジカル超伝導体の量子渦に局在するマヨラナ粒子の模式図と理論計算による超伝導準粒子励起密度分布。