マヨラナ粒子

マヨラナ粒子とは

マヨラナ粒子とは、1937年にエットーレ・マヨラナによって理論的に予言された、粒子と反粒子が同一であるという性質を持つ中性のフェルミ粒子のことです。マヨラナフェルミオンとも呼ばれます。

素粒子としてのマヨラナ粒子

標準模型におけるマヨラナ粒子

素粒子物理学の標準模型では、フェルミ粒子はディラック方程式に従い、4成分のスピノルで記述されます。フェルミ粒子のカイラリティ（ chirality ）には左巻きと右巻きがあり、ディラック方程式は2種類のワイルスピノルに分解できます。

通常のディラック粒子（電子など）では、粒子と反粒子は電荷共役によって結び付けられていますが、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ります。この条件（マヨラナ条件）を満たすのは、中性のフェルミ粒子に限られます。

現在、ニュートリノがマヨラナ粒子であるかどうかを検証する実験が世界中で行われています。

超対称性理論におけるマヨラナ粒子

超対称性理論では、スカラー超多重項とベクトル超多重項が登場します。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する超対称性パートナーはマヨラナ粒子となります。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す。

物質中のマヨラナ粒子

概要

近年、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唱され、その実験的検証が活発に行われています。物質中のマヨラナ粒子は、2次元または1次元に閉じ込められており、エニオンという特殊な性質を持つとされます。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こると考えられています。

マヨラナ粒子の位置を制御することで、占有する状態が安定に保たれるため、トポロジカル量子コンピュータへの応用が期待されています。

研究の進展

2007年: FuとKaneが、トポロジカル絶縁体と超伝導体の界面にマヨラナ粒子の束縛状態が現れることを理論的に予測しました。
2012年: 超伝導体におけるマヨラナ粒子の束縛状態の実験的証拠を示す研究が発表されました。デルフト工科大学の研究チームは、アンチモン化インジウムのナノワイヤを用いた実験で、マヨラナ粒子の存在を示唆する結果を得ました。また、パデュー大学とノートルダム大学のグループは、アンチモン化インジウムのナノワイヤで分数ジョセフソン効果を観測し、マヨラナ粒子の束縛状態の別の兆候であるとしました。
2014年: プリンストン大学の研究者によって、低温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ました。
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ました。また、マヨラナ粒子は量子スピン液体中の準粒子としても出現することが確認されました。
2018年: デルフト工科大学の研究者らがネイチャーの論文でマヨラナ粒子の実現に成功したと主張しましたが、2021年に論文は撤回されています。
2018年: 京都大学、東京大学、東京工業大学の研究グループは、塩化ルテニウム(III)を用いて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発表しました。

マヨラナ粒子の今後の展望

マヨラナ粒子の研究は、基礎物理学の重要な課題であると同時に、量子コンピュータなどの革新的な技術への応用が期待されています。今後の研究の進展によって、マヨラナ粒子の謎が解き明かされ、新たな科学技術が生まれることが期待されます。

参考情報

* デジタル[大辞泉]]『マヨラナ粒子』 - コトバンク:[https://kotobank.jp/word/%E3%83%9E%E3%83%A8%E3%83%A9%E3%83%8A%E7%B2%92%E5%AD%90-160097

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