Triplon band splitting and topologically protected edge states in the dimerized antiferromagnet

ダイマー反強磁性体中におけるトリプロンバンドの分裂とトポロジカルに保護された端状態

那波 和宏*; 田中 公人*; 栗田 伸之*; 佐藤 卓*; 杉山 晴紀*; 植草 秀裕*; 河村 聖子   ; 中島 健次  ; 田中 秀数*

Nawa, Kazuhiro*; Tanaka, Kimihito*; Kurita, Nubuyuki*; Sato, Taku*; Sugiyama, Haruki*; Uekusa, Hidehiro*; Kawamura, Seiko; Nakajima, Kenji; Tanaka, Hidekazu*

固体物理学の分野において、現在、その省エネルギーの情報伝達や情報処理への応用もにらんで、トポロジカル物質の探索が精力的に行われている。近年の研究では、フェルミオンである電子にとどまらず、ボゾンにおいてもトポロジカルな状態が生まれることが示唆されている。ここで我々は、スピン1/2のダイマー反強磁性体BaCuSiOClについて中性子非弾性散乱実験を行い、トポロジカル的に重要と思われるトリプロンのバンドを測定した。実験結果は、ダイマー間相互作用の小さな交替により生じていると思われるトリプロンバンドの分裂を明瞭に捉えた。解析により、BaCuSiOClについては、初めてとなるボゾンによって実現した結合型Su-Schrieffer-Heeger模型を実現した系であると思われ、トポロジカルに保護された端状態が存在しているものと思われる。

Search for topological materials has been actively promoted in the field of condensed matter physics for their potential application in energy-efficient information transmission and processing. Recent studies have revealed that topologically invariant states, such as edge states in topological insulators, can emerge not only in a fermionic electron system but also in a bosonic system, enabling nondissipative propagation of quasiparticles. Here we report the topologically nontrivial triplon bands measured by inelastic neutron scattering on the spin-1/2 two-dimensional dimerized antiferromagnet BaCuSiOCl. The excitation spectrum exhibits two triplon bands that are clearly separated by a band gap due to a small alternation in interdimer exchange interaction, consistent with a refined crystal structure. By analytically modeling the triplon dispersion, we show that BaCuSiOCl is the first bosonic realization of the coupled Su-Schrieffer-Heeger model, where the presence of topologically protected edge states is prompted by a bipartite nature of the lattice.