교토대학, 도쿄대학, 도쿄공업대학의 공동연구그룹은 자성절연체의 염화루테늄에 있어서 열홀효과가 양자역학으로 규정되는 보편적인 값을 취하는 것을 발견하고, 이론적 예언으로부터 80년 이상 거쳐 '마요라나 입자'를 실증하는 데 성공했다.
물질을 구성하는 양자나 전자는 페르미입자라 불리며, 통상 각각에 반입자가 존재한다(예를 들어, 전자의 반입자는 양전자).한편, 입자와 반입자가 동일하다는 특이한 성질의 중성의 페르미 입자가, 마요라나 입자라고 불려 1937년에 그 존재가 예언되었다.최근, 어떤 종류의 초전도체나 자성체 중에서 마요라나 입자가 출현할 가능성이 지적되어, 토폴로지컬 양자 컴퓨터(주)의 실현과 관련하여 주목받고 있었다.
공동 연구 그룹은 벌집 모양의 평면 구조를 갖는 자성 절연체 염화 루테늄의 양자 스핀 액체 상태 (절대 영도로 액체를 유지하고 스핀의 방향이 변하지 않는 상태)에서 일정한 온도 하에서 자장을 변화시키면서 열 홀 전도도(열류의 굴곡을 나타내는 양)를 고정밀도로 측정하였다.
그 결과, 어느 범위의 자장에서 열홀 전도도가 자장이나 온도에 관계없이 양자역학으로 규정되는 보편적인 값(양자화값)의 단지 절반의 값으로 일정해지는 것을 발견하였다.이러한 현상은 「양자 홀 효과」라고 불리며, 이번에 전기가 흐르지 않는 절연체에 인정되었기 때문에, 전하를 갖지 않는 입자에 유래하는 양자 홀 효과이며, 이러한 입자는 마요라나 입자 으로 확인되었다.
이번에, 마요라나 입자가 존재하는 결정적인 증거가 얻어지고, 또한 그 양자화 현상이 높은 온도(약 5 켈빈)로 실현되는 것도 알았다.마요라나 입자의 제어법을 개발함으로써 고온에서도 동작 가능한 토폴로지컬 양자 컴퓨터에의 응용이 기대된다.
주) 연속적으로 변형시켜도 유지되는 성질을 토폴로지라고 부르며, 이 성질을 이용하여 양자 정보를 보호하는 안정된 양자 컴퓨터.
논문 정보:【Nature】Majorana quantization and half-integer thermal quantum Hall effect in a Kitaev spin liquid