Theory of spin current phenomena utilizing the superconducting vortex as a real-space topological defect

Research Project

Project/Area Number	23K23209
Project/Area Number (Other)	22H01941 (2022-2023)
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Multi-year Fund (2024) Single-year Grants (2022-2023)
Section	一般
Review Section	Basic Section 29010:Applied physical properties-related
Research Institution	Okayama University
Principal Investigator	安立裕人岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (10397903)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	加藤雄介東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (20261547) 大江純一郎東邦大学, 理学部, 教授 (40510251) 市岡優典岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (90304295)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help	¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000) Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000) Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000) Fiscal Year 2022: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Keywords	スピンホール効果 / 超伝導渦糸 / スピン流
Outline of Research at the Start	電子の量子力学的自由度であるスピンを用いた電子技術はスピントロニクスと呼ばれ、スピン注入ランダムアクセスメモリ等の次世代電子デバイス開発を支えている。このスピントロニクス研究の新しい流れとして、近年、超伝導技術をスピントロニクスを組み合わせた超伝導スピントロニクスが世界中で大きな注目を集めている。本研究では、超伝導の量子渦糸が磁束の量子化条件で保護された実空間のトポロジカル欠陥であり、スピンを内包するカプセルとして機能する点に着目する。この超伝導量子渦糸に閉じ込めたスピンが渦糸と連動して動くのか否かを明らかとし、超伝導渦糸を利用した新しいスピン輸送原理を確立する。
Outline of Annual Research Achievements	本研究課題では、超電導の量子渦糸が磁束の量子化条件で保護された実空間のトポロジカル欠陥であり、スピンを内包するカプセルとして機能する点に着目する。この超伝導渦糸に閉じ込めたスピンが渦糸と連動して動くのか否かを理論的に解明し、超伝導渦糸を利用した新しいスピン輸送原理を確立することを目的としている。令和４年度は、２つの課題について取り組んだ。１つ目は、超伝導渦糸とスピン蓄積が連動するのか否かを直接的に調べるため、時間依存ギンツブルグ・ランダウ方程式をスピン流を含む形に拡張する作業を行った。そして、渦糸の運動と同じ方向にスピン流が流れ、かつ、スピン流とは垂直方向に電流が流れる、という予備的な結果が得られている。２つ目は、（渦糸を含まない）マイスナー状態への超伝導転移点近傍でスピンホール効果に異常が見られるか否かについて調べた。これは、NbN のマイスナー状態への超伝導転移点に伴い、スピンホール信号に極めて強い異常が観測されていることを受けたものである [Jeon et al., ACS Nano 14, 15874 (2020)]。結果として、２次元系ではスピンホール伝導度に対数発散が現れるものの、実験で観測された数十倍もの信号増幅を説明する異常は現れないことが判明した。結果として、上記の実験結果はスピンホール効果への超伝導揺らぎの寄与では説明できず、別のメカニズムによるものだと結論した。なお、この成果は Watanabe et al., Phys. Rev. B 106, 104504 (2022)に出版された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 時間依存ギンツブルグ・ランダウ方程式をスピン流を含む形に拡張する作業においては、予備的計算ではあるが、スピン蓄積と渦糸が同じ方向に流れ、かつ、電流は垂直方向に流れるという、久保公式によるスピンホール伝導度の計算結果と定性的に整合性のある結果が得れれている。また、スピンホール効果に対するマイスナー状態の超伝導揺らぎの影響を評価する作業においては、研究成果が Watanabe et al., Phys. Rev. B 106, 104504 (2022) で出版済みである。以上を踏まえ、本研究課題は概ね順調に進展していると判断できる。
Strategy for Future Research Activity	まず第一に、時間依存ギンツブルグ・ランダウ方程式をスピン流を含む形に拡張する作業を推進する予定である。熱流演算子とスピン流演算子の対応関係に基づく予備的計算の結果に間違いがないか、より詳細な計算を実行して、スピン流を含む時間依存ギンツブルグ・ランダウ方程式を導出する予定である。この作業が完了すれば、数値シミュレーションによって渦糸スピンホール効果を可視化することが可能となる。