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研究内容
- Keywords
量子位相,量子スピン,量子臨界現象,トポロジカル量子効果
出版物2004年以降のNIMS所属における研究成果や出版物を表示しています。
所属学会
日本物理学会
ナノアーキテクトニクス材料研究センター
ベリー位相に基づく物質に潜む量子機能とその量子情報への応用の探索
量子磁性,トポロジカル物質相,超伝導,量子相転移,量子情報への応用
概要
「ベリー位相」と呼ばれる波動関数の中の幾何学的位相は、物質に潜む広範な量子機能の源泉として広く認識されている。ごく最近はトポロジカル物質に備わる量子機能や捩じれ積層グラフェンの特異な輸送現象の解明における中心的な役割から一層の注目を集めている。この「ベリー位相エンジニアリング」の多くの理論的ノウハウ等をベースに内外の理論・実験研究者と連携し物質・材料の新規量子効果の発掘を目指している。NIMSにおける研究実績として低次元磁性体の新規量子効果の発見、今では世界的に用いられている量子相転移のトポロジカルな解析法の提案、高温超伝導体の量子ビット応用に関する実験チームとの世界に先駆けた共同研究がある。量子磁性に関するグループ内連携も活発である。
新規性・独創性
例えば磁性体の磁化ダイナミクスの理論では、磁化を古典的自由度として扱うことが多い。しかし量子スピン系として見た場合、スピンのベリー位相がここに反映されるはずである。このような隠れた量子効果を顕在化させることは量子マテリアル研究において重要なポイントとなり得る。実際にそのような新規の量子効果を見出すことに我々は成功している。ベリー位相に由来する量子効果は材料の量子計算への応用と深く関係することも多く、その観点からの研究にも力を入れている。
内容
量子エンタングルメント(量子もつれ)は、構成要素間の相互作用が強い物質(例えば強相関電子系や量子反強磁性体)の物性を理解する鍵であり、また近年では量子情報処理における量子ビット同士の「連携」を制御する上での基礎概念としても一般にも広く認識されるに至っている。最近我々は量子エンタングルメントの持つこの二つの側面を有効につなぐ研究に着手している。図の左では二個のスピン(量子ビット)が強くエンタングルしていわゆるBellペア(スピン一重項)を形成している。その数理的な性質を調べると、スピンの合同波動関数の位相は、二つのスピンベクトルとスピン量子化軸が成す立体角に比例するという幾何学的な性質を見つけた。これは一種のべリー位相に他ならない。これから例えば多数のBellペアが分布する反強磁性体に対して、ベリー位相の分布図を作成できる。それを元に量子計算プラットフォームとして機能し得る磁気相の判別と、特性の解析に取り組んでいる。
まとめ
ベリー位相をキーワードに、物質・材料の量子機能、その量子情報への応用について新規で本質的な知見を得ることを目的にしている。また量子情報への応用に向けた一つの基盤として、量子エンタングルメントと、物質・材料の量子状態が内包するトポロジカルな情報の間の関係を解明することに力を入れている。


