相互作用するマヨラナ鎖で見つかった:ギャップ相の励起はソリトン—反ソリトン対と局在マヨラナモード
研究の要点はこうです。相互作用の強いマヨラナフェルミオンの一次元鎖を調べると、臨界点(超対称性を持つ三重臨界イジング点=TCI)に近いギャップのある秩序相でも、超対称性(SUSY, supersymmetry)の痕跡が残ることが示されました。さらに、そのギャップ相での最低励起は「ソリトン—反ソリトン(SA)対」であり、それぞれが局在したマヨラナモードを束縛して、非局所的なディラック粒子(Diracフェルミオン)を作ることが分かりました。ディラックモードの占有の有無が、系全体のフェルミオンパリティ(偶奇)を区別します。マヨラナ(マヨラナ)フェルミオンは、粒子と反粒子の性質が一致する特別な種類のフェルミ粒子です。
研究者が行ったことは次の通りです。O’Brien–Fendley(OF)モデルというマヨラナ鎖の格子模型を扱い、格子上に定義した“超電流(supercurrent)”に対応する演算子を使ってSUSYの診断量Rを定義しました(有限の値はTCI点での理論値に対応します)。数値的には密度行列繰り込み群法(DMRG)を用いて、様々な系サイズでRを調べました。その結果、TCI点ではRが有限なのに、臨界点からイジング側(臨界の右側)に一歩踏み出すと熱力学極限でRが発散することが示唆されました。一方で、ギャップのある秩序相(TCI点の左側)ではRは連続に零へ向かって減少し、SUSYが近傍では残るが、深く入ると薄れることが示されました。有限サイズ効果によりTCI点の正確な位置には小さな不確かさがあることも報告されています。
励起の性質については、最も低い励起状態がソリトンと反ソリトンの対であることを示す議論と数値証拠が示されました。ソリトンは秩序の位相が切り替わる境界として現れます。各ソリトンは局在したマヨラナモードを束縛し、ソリトンと反ソリトンの二つの局在モードが合わせて一つのディラックフェルミオンを作ります。周期境界条件(格子上のマヨラナに対するラムondセクター)を考えると、秩序相は少なくとも二重縮退し、各固有状態には反対のフェルミオンパリティを持つパートナーが存在します。重要な点は、これらのSA対は固定位置に留まるわけではなく、励起状態は対が異なる位置にある構成の重ね合わせになっている、ということです。
なぜ重要か。超対称性は高エネルギー物理で重要な概念ですが、凝縮系の格子模型でどのように現れるかを具体的に示すことは、理論理解と将来の実験的実現の両方に役立ちます。特に相互作用マヨラナ系は、トポロジカル超伝導体上の渦や近接効果系などで実験的にアクセス可能であると議論されており、本研究はギャップ相における励起と局在モードの構造を明確にしました。
留意点と限界もあります。解析は格子模型と数値計算に基づいています。格子上の超荷演算子は厳密には可換ではなく、場の理論へ流れることを仮定しています。数値結果には有限サイズ効果があり、TCI点の正確な位置には小さな不確かさがあります。さらに、励起が位置の不確定性を含む重ね合わせである点や、Rの振る舞いが熱力学極限で決まる点など、結果の解釈には注意が必要です。論文はこれらの点を数値証拠と理論的議論で示していますが、結論はモデルと数値の範囲内に限られます。