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マヨラナ粒子

（マヨラナフェルミオンから転送）

マヨラナ粒子（マヨラナりゅうし、英: Majorana particle）とは、粒子と反粒子が同一の中性フェルミ粒子の呼び名で、1937年にエットーレ・マヨラナが理論によって存在を予言した[1][2]。マヨラナフェルミオンともいう。フェルミオン素粒子のうちでニュートリノ以外はすべてディラック粒子と考えられているが、ニュートリノがディラックフェルミオン（英語版）なのかマヨラナフェルミオンなのかは決着していない。

標準模型
標準模型の素粒子

また、物質の励起状態がつくる準粒子がマヨラナ粒子として振る舞う場合があり、併せて説明する。

素粒子のマヨラナ粒子

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標準模型の場合

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スピン1/2の素粒子であるフェルミ粒子は、その運動方程式がディラック方程式に従い、数学的な表式は4成分のスピノル（ディラックスピノル）として表される。フェルミ粒子のカイラリティには左巻きと右巻きとがあり、ディラック方程式中のディラックのガンマ行列をワイル表示で表すと、左巻き成分と右巻き成分は2種類のワイルスピノル（2成分スピノル）に分解できる。電子と陽電子の関係のように、粒子と反粒子が荷電共役で結ばれている場合には、電子の左巻きワイルスピノルと陽電子の右巻きワイルスピノル、電子の右巻きワイルスピノルと陽電子の左巻きワイルスピノルがそれぞれ関連付けられる。マヨラナ粒子は、ワイルスピノルが1種類のみで構成され、粒子と反粒子が同一となっている。このような条件（マヨラナ条件）が満たされるのは、中性フェルミ粒子の場合に限られ、荷電フェルミ粒子はマヨラナ粒子になりえない。

ニュートリノがマヨラナ粒子であるかどうかについての検証がカムランドで進められている[3]。

超対称性理論の場合

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超対称性理論であるゲージ理論は、左巻き（カイラル）および右巻き（反カイラル）のスカラー超多重項（スカラー粒子、フェルミ粒子、補助場）とゲージ変換を担うベクトル超多重項（補助場、フェルミ粒子、ゲージ粒子）によって記述される。スカラー超多重項は例えばスエレクトロン-L、電子の左巻き成分、補助場であり、ベクトル超多重項は例えば補助場、フォティーノ、光子である。中性ゲージ場は実数で表され、粒子と反粒子が同一となるため、中性ゲージ場の属するベクトル超多重項に属している超対称性パートナーはマヨラナ粒子となる。例えば、フォティーノやズィーノといったニュートラリーノはマヨラナ粒子である。

物質中のマヨラナ粒子

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概要

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ある種の物質中の電子系の励起状態がマヨラナ粒子として記述できるという理論が提出され、その実験的検証が複数の研究機関で試みられている。物質におけるマヨラナ粒子は、2次元か1次元に閉じ込められており、一般のフェルミオンやボソンとは違った性質を持つエニオンとなる。エニオンは非可換統計に従い、粒子交換によって状態遷移が起きるとされている[4]。粒子の位置を制御するだけで占有する状態が安定に保たれるので、量子コンピュータに利用できると考えられている(トポロジカル量子コンピュータ)[5][6]。

研究

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2007年、FuとKaneは、マヨラナ粒子の束縛状態がトポロジカル絶縁体と超伝導体との界面に現れると理論的に予測し画期的な発展をもたらした[7][8]。多くの同様の提案はすぐに続き、マヨラナ粒子の束縛状態はトポロジカル絶縁体が無くても現れることが示され、超伝導体のマヨラナ粒子の束縛状態の実験的証拠を提示するための徹底的な調査は[9][10]、最初のいくつかの肯定的な結果が2012年に得られた[11][12]。オランダのデルフト工科大学の Kavli Institute of Nanoscience の研究チームは、一端に金を、他方の端に超伝導体のスライスを接触させた回路に接続したアンチモン化インジウムのナノワイヤによる実験で、適度に強い磁場に暴露されたとき、ナノワイヤは0Vでコンダクタンスのピークを示したと報告した。これは、一対のマヨラナ粒子の束縛状態の形成と一致し、一方は超電導体と接触しているナノワイヤの領域の両端にあった[13]。同時期に、パデュー大学とノートルダム大学のグループは、2つの超電導に接続され適度の磁場にさらされたアンチモン化インジウムのナノワイヤによる分数ジョセフソン効果（通常のジョセフソン周波数の2倍の減少）の観察を報告し[14]、これはマヨラナ粒子の束縛状態の別の痕跡であるとした[15]。同様のハイブリッドデバイスを使用した他のいくつかの研究グループでは、エネルギーがゼロの束縛状態がすぐに検出され[16][17][18][19]、超伝導体と接しているトポロジカル絶縁体のテルル化水銀では分数ジョセフソン効果が観察された[20]。

上記の実験は、半導体ワイヤーにおけるマヨラナ粒子の束縛状態の固体としての発現を予測する、独立した2つのグループによる2010年の理論的提案の可能性が検証可能であることを示している[21][22]。しかし、他の自明な非位相的な束縛状態は[23]、マヨラナ粒子の束縛状態の0Vにおけるコンダクタンスのピークと非常に似ていると指摘された。これらの自明な束縛状態とマヨラナ粒子の束縛状態との微妙な関係は、ニールス・ボーア研究所の研究者によって報告され[24]、アンドレーエフ束縛状態がマヨラナ粒子の束縛状態に進化するのを直接見ることができる。

2014年には、プリンストン大学の科学者によって、低温の走査型トンネル顕微鏡を用いてマヨラナ粒子の束縛状態の証拠が観察された[25][26]。これにより、超伝導性の鉛の表面に形成された鉄原子の鎖の端に、マヨラナ粒子の束縛状態が現れることが示唆されたが、他の現象の可能性のため決定的ではなかった[27]。

2017年、 量子ホール効果と超伝導のハイブリッドデバイスにおいて、カイラルなマヨラナ粒子が検出された[28][29]。この系では、マヨラナ粒子のエッジモードは、e2/2h となった。

マヨラナ粒子はまた、量子スピン液体中の準粒子として出現し、2016年4月4日、オークリッジ国立研究所で共同研究を行なっていたマックス・プランク研究所とケンブリッジ大学の研究者らによって観察された[30][31]。

2018年には、デルフト工科大学の研究者らがネイチャーの論文[32]でマヨラナ粒子の実現に成功したと主張した。マイクロソフトはこの研究者を雇って量子コンピュータの開発を推進しようとしたが、この論文は2021年1月27日に本人により撤回された[33]。ピッツバーグ大学のフロロフはらは「自身の主張に対して不利に働く一部のデータを除外していたようだ。データを見れば粒子が存在しないことは明らかだ」という[34][35]。それによりマイクロソフトの量子コンピュータ計画は立ち後れることになった。

京都大学と東京大学および東京工業大学の研究グループは、2次元のハニカム構造をもつ絶縁体の塩化ルテニウム(III)を 5 K (−268.15 °C) 程度まで冷やして熱を加えた際の熱ホール効果が量子化されていることを発見し、マヨラナ粒子の存在を実証することに成功したとする論文をイギリスの科学雑誌『Nature』に投稿し、2018年7月11日付のウェブ版に掲載された[36][37][38][39][40][41][42][43][44][45]。

脚注

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出典

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  1. ^ Majorana, Ettore (April 1937). “Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone” (Italian). Il Nuovo Cimento 14 (4): 171–184. Bibcode: 1937NCim...14..171M. doi:10.1007/bf02961314. 
  2. ^ Majorana, Ettore; Maiani, Luciano (April 25, 2007). “A symmetric theory of electrons and positrons”. In Bassani, Giuseppe Franco. Ettore Majorana Scientific Papers. Springer. pp. 201–233. ASIN 3540480919. doi:10.1007/978-3-540-48095-2_10. ISBN 978-3-540-48091-4. NCID BB04965473. OCLC 5661736027 
  3. ^ デジタル大辞泉
  4. ^ “Majorana”. 田仲研究室. 名古屋大学. 2018年12月20日閲覧。
  5. ^ Kitaev, A. Yu (20 May 2002). “Fault-tolerant quantum computation by anyons”. Annals of Physics 303 (1): 2–30. arXiv:quant-ph/9707021. doi:10.1016/S0003-4916(02)00018-0. 
  6. ^ 松尾 貞茂. “トポロジカル量子コンピュータの実現に向けたマヨラナ粒子の探索”. (一社)量子ICTフォーラム. 2022年8月19日閲覧。
  7. ^ Fu, Liang; Kane, Charles L. (11 July 2007). “Superconducting Proximity Effect and Majorana Fermions at the Surface of a Topological Insulator”. Physical Review Letters 10 (9): 096407. arXiv:0707.1692v3. Bibcode: 2008PhRvL.100i6407F. doi:10.1103/PhysRevLett.100.096407. 
  8. ^ Fu, Liang; Kane, Charles L. (28 April 2008). “Josephson current and noise at a superconductor/quantum-spin-Hall-insulator/superconductor junction”. Physical Review B 79 (16): 161408. arXiv:0804.4469v1. Bibcode: 2009PhRvB..79p1408F. doi:10.1103/PhysRevB.79.161408. 
  9. ^ Alicea, Jason (28 June 2012). “New directions in the pursuit of Majorana fermions in solid state systems”. Reports on Progress in Physics 75 (7): 076501. arXiv:1202.1293v1. Bibcode: 2012RPPh...75g6501A. doi:10.1088/0034-4885/75/7/076501. PMID 22790778. 
  10. ^ Beenakker, C. W. J. (April 2013). “Search for Majorana fermions in superconductors”. Annual Review of Condensed Matter Physics 4 (113): 113–136. arXiv:1112.1950v2. Bibcode: 2013ARCMP...4..113B. doi:10.1146/annurev-conmatphys-030212-184337. 
  11. ^ Reich, Eugenie Samuel (28 February 2012). “Quest for quirky quantum particles may have struck gold”. Nature News. doi:10.1038/nature.2012.10124. 
  12. ^ Amos, Jonathan (13 April 2012). “Majorana particle glimpsed in lab”. BBC News. https://www.bbc.co.uk/news/science-environment-17695944 15 April 2012閲覧。 
  13. ^ Mourik, V.; Zuo, K.; Frolov, S. M.; Plissard, S. R.; Bakkers, E. P. A. M.; Kouwenhoven, L. P. (12 April 2012). “Signatures of Majorana fermions in hybrid superconductor-semiconductor nanowire devices”. Science 336 (6084): 1003–1007. arXiv:1204.2792v1. Bibcode: 2012Sci...336.1003M. doi:10.1126/science.1222360. 
  14. ^ Rokhinson,, L. P.; Liu, X.; Furdyna, J. K. (30 April 2012). “Observation of the fractional ac Josephson effect: the signature of Majorana particles”. Nature Physics 8: 795–799. arXiv:1204.4212v2. Bibcode: 2012NatPh...8..795R. doi:10.1038/nphys2429. 
  15. ^ Kwon, H.-J.; Sengupta, K.; Yakovenko, V. M. (February 2004). “Fractional ac Josephson effect in p- and d-wave superconductors”. The European Physical Journal B 37 (3): 349–361. arXiv:cond-mat/0210148v5. Bibcode: 2004EPJB...37..349K. doi:10.1140/epjb/e2004-00066-4. 
  16. ^ Deng, M.T.; Yu, C.L.; Huang, G.Y.; Larsson, M.; Caroff, P.; Xu, H.Q. (28 November 2012). “Anomalous zero-bias conductance peak in a Nb-InSb nanowire-Nb hybrid device”. Nano Letters 12 (12): 6414–6419. Bibcode: 2012NanoL..12.6414D. doi:10.1021/nl303758w. PMID 23181691. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl303758w#citing. 
  17. ^ Das, A.; Ronen, Y.; Most, Y.; Oreg, Y.; Heiblum, M.; Shtrikman, H. (11 November 2012). “Zero-bias peaks and splitting in an Al-InAs nanowire topological superconductor as a signature of Majorana fermions.”. Nature Physics 8 (12): 887–895. arXiv:1205.7073v2. Bibcode: 2012NatPh...8..887D. doi:10.1038/nphys2479. 
  18. ^ Churchill, H. O. H.; Fatemi, V.; Grove-Rasmussen, K.; Deng, M.T.; Caroff, P.; Xu, H.Q.; Marcus, C.M. (6 June 2013). “Superconductor-nanowire devices from tunneling to the multichannel regime: Zero-bias oscillations and magnetoconductance crossover”. Physical Review B 87 (24): 241401(R). arXiv:1303.2407v1. Bibcode: 2013PhRvB..87x1401C. doi:10.1103/PhysRevB.87.241401. http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.87.241401. 
  19. ^ Deng, M.T.; Yu, C.L.; Huang, G.Y.; Larsson, Marcus; Caroff, P.; Xu, H.Q. (11 November 2014). “Parity independence of the zero-bias conductance peak in a nanowire based topological superconductor-quantum dot hybrid device”. Scientific Reports 4: 7261. arXiv:1406.4435v1. Bibcode: 2014NatSR...4E7261D. doi:10.1038/srep07261. PMC 4248274. PMID 25434375. http://www.nature.com/srep/2014/141201/srep07261/full/srep07261.html. 
  20. ^ Wiedenmann, J.; Bocquillon, E.; Deacon, R. S.; Hartinger, S.; Herrmann, O.; Klapwijk, T. M.; Maier, L.; Ames, C. et al. (2016). “4π-periodic Josephson supercurrent in HgTe-based topological Josephson junctions”. Nature Communications 7: 10303. arXiv:1503.05591v2. Bibcode: 2016NatCo...710303W. doi:10.1038/ncomms10303. 
  21. ^ Lutchyn, Roman M.; Sau, Jay D.; Das Sarma, S. (August 2010). “Majorana Fermions and a Topological Phase Transition in Semiconductor-Superconductor Heterostructures”. Physical Review Letters 105 (7): 077001. arXiv:1002.4033. Bibcode: 2010PhRvL.105g7001L. doi:10.1103/PhysRevLett.105.077001. PMID 20868069. 
  22. ^ Oreg, Yuval; Refael, Gil; von Oppen, Felix (October 2010). “Helical Liquids and Majorana Bound States in Quantum Wires”. Physical Review Letters 105 (17): 177002. arXiv:1003.1145. Bibcode: 2010PhRvL.105q7002O. doi:10.1103/PhysRevLett.105.177002. PMID 21231073. 
  23. ^ Lee, E. J. H.; Jiang, X.; Houzet, M.; Aguado, R.; Lieber, C.M.; Franceschi, S.D. (15 December 2013). “Spin-resolved Andreev levels and parity crossings in hybrid superconductor–semiconductor nanostructures”. Nature Nanotechnology 9: 79–84. arXiv:1302.2611. Bibcode: 2014NatNa...9...79L. doi:10.1038/nnano.2013.267. http://www.nature.com/nnano/journal/v9/n1/full/nnano.2013.267.html. 
  24. ^ M.T. Deng; S. Vaitiekėnas; E. B. Hansen; J. Danon; M. Leijnse; K. Flensberg; J. Nygård; P. Krogstrup et al.. “Majorana bound state in a coupled quantum-dot hybrid-nanowire system”. Science 354 (6319): 1557–1562. arXiv:1612.07989. Bibcode: 2016Sci...354.1557D. doi:10.1126/science.aaf3961. 
  25. ^ Nadj-Perge, Stevan; Drozdov, Ilya K.; Li, Jian; Chen, Hua; Jeon, Sangjun; Seo, Jungpil; MacDonald, Allan H.; Bernevig, B. Andrei et al. (2 October 2014). “Observation of Majorana fermions in ferromagnetic atomic chains on a superconductor”. Science 346: 602–607. arXiv:1410.3453. Bibcode: 2014Sci...346..602N. doi:10.1126/science.1259327. PMID 25278507. 
  26. ^ “Majorana fermion: Physicists observe elusive particle that is its own antiparticle”. Phys.org (2 October 2014). 3 October 2014閲覧。
  27. ^ “New Particle Is Both Matter and Antimatter”. Scientific American (2 October 2014). 3 October 2014閲覧。
  28. ^ He, Qing Lin; Pan, Lei; Stern, Alexander L.; Burks, Edward C.; Che, Xiaoyu; Yin, Gen; Wang, Jing; Lian, Biao et al. (2017-07-21). “Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator–superconductor structure” (英語). Science 357 (6348): 294–299. arXiv:1606.05712. Bibcode: 2017Sci...357..294H. doi:10.1126/science.aag2792. ISSN 0036-8075. http://science.sciencemag.org/content/357/6348/294. 
  29. ^ Emily Conover (20 July 2017). “Majorana fermion detected in a quantum layer cake”. Science Magazine. 2018年7月19日閲覧。
  30. ^ Woollaston, Victoria (4 April 2016). “Mysterious new state of matter discovered”. Daily Mail. 4 April 2016閲覧。
  31. ^ Banerjee, A.; Bridges, C. A.; Yan, J.-Q. (4 April 2016). “Proximate Kitaev quantum spin liquid behaviour in a honeycomb magnet”. Nature Materials 15: 733–740. arXiv:1504.08037. Bibcode: 2016NatMa..15..733B. doi:10.1038/nmat4604. PMID 27043779. 
  32. ^ Zhang, Hao; Liu, Chun-Xiao; Gazibegovic, Sasa; Xu, Di; Logan, John A.; Wang, Guanzhong; van Loo, Nick; Bommer, Jouri D. S. et al. (2018-04). “Quantized Majorana conductance” (英語). Nature 556 (7699): 74–79. doi:10.1038/nature26142. ISSN 1476-4687. https://www.nature.com/articles/nature26142. 
  33. ^ Zhang, Hao; de Moor, Michiel W. A.; Bommer, Jouri D. S.; Xu, Di; Wang, Guanzhong; van Loo, Nick; Liu, Chun-Xiao; Gazibegovic, Sasa et al. (2021-01-27). “Large zero-bias peaks in InSb-Al hybrid semiconductor-superconductor nanowire devices”. arXiv:2101.11456 [cond-mat]. https://arxiv.org/abs/2101.11456. 
  34. ^ INC, SANKEI DIGITAL (2021年2月21日). “マイクロソフトの量子コンピューター計画が後退？ 明らかになった「技術的なエラー」の深刻度”. 産経ニュース. 2021年2月22日閲覧。
  35. ^ “Microsoft’s Big Win in Quantum Computing Was an ‘Error’ After All” (英語). Wired. ISSN 1059-1028. https://www.wired.com/story/microsoft-win-quantum-computing-error/ 2021年2月22日閲覧。 
  36. ^ Y. Kasahara; T. Ohnishi; Y. Mizukami; O. Tanaka; Sixiao Ma; K. Sugii; N. Kurita; H. Tanaka et al. (11 July 2018). “Majorana quantization and half-integer thermal quantum Hall effect in a Kitaev spin liquid”. Nature 559: 227-231. doi:10.1038/s41586-018-0274-0. ISSN 1476-4687. OCLC 300227566. 
  37. ^ “幻の「マヨラナ粒子」発見-トポロジカル量子コンピュータの実現に期待”. 京都大学 (2018年7月12日). 2018年7月15日閲覧。
  38. ^ “幻の粒子「マヨラナ粒子」の発見 トポロジカル量子コンピューターの実現に期待”. 東京工業大学 (2018年7月13日). 2018年7月15日閲覧。
  39. ^ シマダマヨ (2018年7月12日). “幻の「マヨラナ粒子」発見-トポロジカル量子コンピュータの実現に期待”. マイナビニュース (マイナビ). https://news.mynavi.jp/techplus/article/20180712-662370/ 2018年7月12日閲覧。 
  40. ^ 野中良祐; 石倉徹也 (2018年7月12日). “予言から80年、幻の「マヨラナ粒子」確認 京都大など”. 朝日新聞デジタル (朝日新聞社). https://www.asahi.com/articles/ASL7C4CVJL7CPLBJ002.html 2018年7月12日閲覧。 
  41. ^ 菅沼舞; 阿部周一 (2018年7月12日). “マヨラナ粒子 京大グループが実証 同じ動き観測”. 毎日新聞 (毎日新聞社). https://mainichi.jp/articles/20180712/k00/00m/040/178000c 2018年7月12日閲覧。 
  42. ^ “80年前予言、幻の「マヨラナ粒子」存在証明”. YOMIURI ONLINE (読売新聞社). (2018年7月12日). https://www.yomiuri.co.jp/science/20180712-OYT1T50009.html 2018年7月12日閲覧。 
  43. ^ “「幻の粒子」京大など発見 予言から80年、量子計算機に応用も”. 日経新聞 (日経新聞社). (2018年7月12日). https://www.nikkei.com/article/DGXMZO32870170R10C18A7000000/ 2018年7月12日閲覧。 
  44. ^ “マヨラナ粒子の存在実証＝80年前に理論的予言－京大”. jiji.com (時事通信社). (2018年7月12日). https://web.archive.org/web/20180713193757/https://www.jiji.com/jc/article?k=2018071201054&g=soc 2018年7月15日閲覧。 
  45. ^ “「マヨラナ粒子」の存在を証明”. NHK NEWS WEB (NHK). (2018年7月12日). https://web.archive.org/web/20180714221817/https://www3.nhk.or.jp/kansai-news/20180712/0003947.html 2018年7月15日閲覧。 

外部リンク

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