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Observation of nonreciprocal charge transport phenomena caused by current-induced breaking of the time-reversal and space-inversion symmetries

Research Project

Project/Area Number 20K14408
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
Research InstitutionKyushu University (2022)
The University of Tokyo (2020-2021)

Principal Investigator

Nakamura Sachiko  九州大学, 理学研究院, 准教授 (00726317)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Keywords超伝導電流 / テラヘルツ / 非相反応答 / 反転対称性の破れ / 磁束量子 / 第2高調波発生 / 超伝導 / 電流 / 非相反 / 電流注入 / テラへルツ
Outline of Research at the Start

空間・時間反転対称性が同時に破れると、電流の流れる方向によって電気抵抗が異なる「非相反電荷輸送現象」が起こりうる。通常、この現象は、空間反転対称性の破れた物質に磁場を加え、時間反転対称性を破ることで発現するが、超伝導体を対象とする場合は、その磁場による超伝導破壊という副次的効果が起こりうる。そこで、本研究では、流れ、より具体的には、直流電源や円偏光を用いて注入する超伝導電流が、マイクロスコピックに時間・空間反転対称性を破ることに着目し、「磁場」に並ぶ新たな場としての「流れの場」を与えることで誘起される非相反電荷輸送現象を探索する。

Outline of Final Research Achievements

Supercurrents are dissipationless flows of superconducting electrons that break both time-reversal and space-inversion symmetries. Therefore, superconductors under supercurrent injection exhibit specific electromagnetic responses known as nonreciprocal transport phenomena, resulting from the symmetry breaking.
In this project, we investigated nonlinear optical responses of superconductors by observing the transmitted terahertz (THz) pulses for high-intensity and narrowband THz irradiations under three methods of supercurrent injection: (1) direct injection of a DC supercurrent, (2) dynamical induction of a transient current using THz pulses, and (3) static induction of a shielding current using weak magnetic fields.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

電流は一般に時間反転対称性を破る。通常の散逸的な電流においては、不可逆性(irreversibility)という意味で対称性が破れるが、超伝導電流の場合は、磁場と同様な平衡場の1種として、文字どおりの時間反転対称性(time-reversal symmetry)を破ると期待される。
本研究では、空間反転対称性が破れた物質が磁場下で発生する第2高調波発生が、超伝導電流存在下の超伝導体によっても発生することを実験的に示し、上記の解釈を提案した。加えて、光学測定時に超伝導電流を注入する手法を複数実証し、現在理論研究が進められている超伝導電流が誘起する相転移や特異な光学応答の測定に向けて道を拓いた。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Nonreciprocal Terahertz Second-Harmonic Generation in Superconducting NbN under Supercurrent Injection2020

    • Author(s)
      Nakamura Sachiko、Katsumi Kota、Terai Hirotaka、Shimano Ryo
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 125 Issue: 9

    • DOI

      10.1103/physrevlett.125.097004

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 鉄系超伝導体FeSeのネマティック超伝導状態におけるテラヘルツ第三高調波発生2023

    • Author(s)
      松本陽行, 中村祥子, 小川浩生, 小林友輝, 鍋島冬樹, 前田京剛, 島野亮
    • Organizer
      第14回低温科学研究センター研究交流会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] テラヘルツ非線形振動子としての磁束量子2022

    • Author(s)
      中村 祥子
    • Organizer
      第28回 渦糸物理ワークショップ
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 超伝導遮蔽電流存在下のFeSe0.5Te0.5薄膜によるテラヘルツ第2高調波発生2022

    • Author(s)
      中村祥子, 松本陽行, 小川浩生, 小林友輝, 鍋島冬樹, 前田京剛, 島野亮
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] FeSe0.5Te0.5薄膜におけるテラヘルツ第3高調波発生2022

    • Author(s)
      松本陽行, 中村祥子, 小川浩生, 小林友輝, 色摩直樹, 鍋島冬樹, 前田京剛, 島野亮
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Collective modes in iron chalcogenide superconductors FeSe1-xTex studied by terahertz third-harmonic generation2022

    • Author(s)
      H. Matsumoto, S. Nakamura, H. Ogawa, T. Kobayashi, N. Shikama, F. Nabeshima, A. Maeda, R. Shimano
    • Organizer
      Spectroscopies of Novel Superconductors 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 3R-TaSe2薄膜超伝導相からのテラヘルツ第二高調波発生2022

    • Author(s)
      西澤邦雄, 中村祥子, 松岡秀樹, 武藏摩紀, 中野匡規, 岩佐義宏, 島野亮
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 超伝導体3R-TaSe2のテラヘルツ第二高調波発生2022

    • Author(s)
      西澤邦雄, 中村祥子, 松岡秀樹, 武藏摩紀, 中野匡規, 岩佐義宏, 島野亮
    • Organizer
      第13回低温科学研究センター研究交流会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] Vortex dynamics studied by nonreciprocal terahertz responses2021

    • Author(s)
      Sachiko Nakamura
    • Organizer
      The 34th International Symposium on Superconductivity (ISS2021)
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 非相反テラヘルツ応答から見る磁束量子ダイナミクス2021

    • Author(s)
      中村 祥子
    • Organizer
      日本物理学会2021年秋季大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 非相反テラヘルツ第2高調波発生から見る超伝導NbNにおける磁束量子ダイナミクス2021

    • Author(s)
      中村祥子, 勝見恒太, 寺井弘高, 島野亮
    • Organizer
      第12回低温科学研究センター研究交流会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] テラヘルツ第2高調波発生から見る超伝導NbNにおける磁束量子ダイナミクス2020

    • Author(s)
      中村祥子, 勝見恒太, 寺井弘高, 島野亮
    • Organizer
      日本物理学会2020年秋季大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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