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Non-trivial quantum states in superconducting topological magnets

Research Project

Project/Area Number 18K03538
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

矢田 圭司  名古屋大学, 工学研究科, 助教 (40377916)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 川口 由紀  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (00456261)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2020: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2019: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywordsトポロジカル超伝導 / スピン三重項超伝導 / スピン軌道相互作用 / トポロジカルな磁気構造 / ワイル半金属 / スキルミオン
Outline of Annual Research Achievements

超伝導Sr2RuO4は、従来のNMRや中性子散乱の実験において転移温度以下で帯磁率が一定だということからトリプレット超伝導体であると考えられていた。しかし、近年の再実験により転移温度以下で帯磁率が減少しする振る舞いが確認された。一方、μSRやカー効果の実験からは時間反転対称性の破れが確認されていることから偶パリティのEgペアの可能性が指摘されている。中でもAgterbergらの提案した異軌道間ペアによるs波超伝導が有力な候補となっている。一方でこのような異軌道間ペアに対して帯磁率がどのようになるのかということについてはこれまでに具体的な計算がなかった。そこで超伝導Sr2RuO4の多軌道模型を用いて帯磁率の計算を行った。先述の異軌道間s波超伝導状態においては、秩序変数に波数依存性がないにも関わらずギャップ構造が同じEg既約表現であるkz(kx+iky)波と同様の線ノード構造が現れる。ただし、これは正確には線ノードではなく体積のあるボゴリューボフフェルミ面である。この時、バンド対角な基底においては擬スピン状態がシングレット状態となり、転移温度以下での帯磁率の減少が見られた。この点においては実験と矛盾はない。一方で、その表面状態を見ると(001)面においてゼロエネルギーにピーク構造が出現する。こちらはV字型の構造を示す実験とは一致しない振る舞いとなっているが、不純物やラシュバスピン軌道相互作用などの効果でゼロエネルギーのピーク構造がどのように変化するのか、今後明らかにする必要がある。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

超伝導Sr2RuO4は、時間反転対称性の破れた超伝導状態であり、またそのトポロジカルな性質が古くから議論されており、磁性とトポロジカル超伝導の関係を調べる上で重要な課題の一つである。そのような系において、NMRの実験で以前の結果が覆され、その超伝導対称性についての理論を改めて構築する必要があった。その中で、異軌道間のペアに関する理論提案が行われたが、このような異軌道間ペアに関してはこれまでに十分な研究は行われておらず、その基本的性質に関して未知の部分があった。その中で、申請者らは異軌道間ペアに関してバルクの基本的な物理量である帯磁率の計算を行い、その振る舞いが擬スピン状態によって分類が可能であることを明らかにした。このように、時間反転対称性の破れた異軌道間ペアに関しての基本的な性質を明らかにしたという点において本研究計画の課題が着実に進行しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

異軌道間ペアに関して、帯磁率は既に論文になっているが、その表面状態に関しては現在論文を執筆中である。帯磁率は実験結果と定性的に同じ振る舞いを示すのに対して、表面状態を介したコンダクタンスはゼロバイアスボルテージ近傍の振る舞いが実験と定性的に異なる性質を示す。理論においてはゼロエネルギー近傍にアンドレーエフ束縛状態が出現し、それによってコンダクタンスにピークが現れる。一方で実験においてはV字型のギャップ構造が出現する。このような振る舞いの違いが現れる原因として次の二つの可能性が考えられる。1. 現在考えている異軌道間ペアとは異なる状態が実現している 2. 異軌道間ペアが実現しているものの、その表面状態が外因的な要因(不純物や表面ラシュバスピン軌道相互作用など)によって抑制されている。 これらの二つのどちらに原因があるのかを明らかにし、Sr2RuO4において真に実現している超伝導対称性を明らかにすることが今後の課題である。そこで本年度は、既にこれまでに計算を行った異軌道間ペアの表面状態が不純物や表面ラシュバスピン軌道相互作用に対してどのような応答を示すのかを明らかにする。

Report

(4 results)
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • 2018 Research-status Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2022 2021 2020 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 2 results) Presentation (7 results)

  • [Int'l Joint Research] SPIN-CNR, Universita di Salerno,(イタリア)

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      Fukaya Yuri、Hashimoto Tatsuki、Sato Masatoshi、Tanaka Yukio、Yada Keiji
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 4 Issue: 1 Pages: 013135-013135

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.4.013135

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    • Author(s)
      Yoshida Soma、Yada Keiji、Tanaka Yukio
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 104 Issue: 9 Pages: 094506-094506

    • DOI

      10.1103/physrevb.104.094506

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      Fukaya Yuri、Yada Keiji、Tanaka Yukio、Gentile Paola、Cuoco Mario
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 102 Issue: 14 Pages: 144512-144512

    • DOI

      10.1103/physrevb.102.144512

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      Ikegaya S.、Yada K.、Tanaka Y.、Kashiwaya S.、Asano Y.、Manske D.
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 101 Issue: 22 Pages: 220501-220501

    • DOI

      10.1103/physrevb.101.220501

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    • Author(s)
      Ohashi Ryoi、Tanaka Yukio、Yada Keiji
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 89 Issue: 5 Pages: 054701-054701

    • DOI

      10.7566/jpsj.89.054701

    • NAID

      210000158145

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      Fukaya Yuri、Tamura Shun、Yada Keiji、Tanaka Yukio、Gentile Paola、Cuoco Mario
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 100 Issue: 10 Pages: 104524-104524

    • DOI

      10.1103/physrevb.100.104524

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      Hattori Ayami、Yada Keiji、Araidai Masaaki、Sato Masatoshi、Shiraishi Kenji、Tanaka Yukio
    • Journal Title

      Journal of Physics: Condensed Matter

      Volume: 31 Issue: 10 Pages: 105302-105302

    • DOI

      10.1088/1361-648x/aaf8ce

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      Fukaya Yuri、Tamura Shun、Yada Keiji、Tanaka Yukio、Gentile Paola、Cuoco Mario
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 97 Issue: 17

    • DOI

      10.1103/physrevb.97.174522

    • NAID

      130007734797

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      矢田圭司
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      矢田圭司
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      深谷優梨, 田村駿, 矢田圭司, 田仲由喜夫, Paola Gentile, Mario Cuoco
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Published: 2018-04-23   Modified: 2023-12-25  

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