第一原理強束縛模型によるトポロジカル物質のバルク観測量提案

• Project Area: Frontiers of materials science spun from topology
• Project/Area Number: 16H00995
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: 永井 佑紀 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究職 (20587026)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2017: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2016: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: トポロジカル超伝導 / ネマティック超伝導 / 物性理論

Outline of Annual Research Achievements

昨年度に引き続き、トポロジカル絶縁体に電子がドープされて生じるトポロジカル超伝導候補物質であるCuxBi2Se3やSn1-xInxTeの物性について調べた。CuxBi2Se3に関しては、NMRのナイトシフト実験や比熱の面内磁場方向依存性、臨界磁場の方向依存性などから、結晶が持つ回転対称性より低い二回対称性を持つ「ネマティック超伝導状態」という特異な超伝導状態が生じていると予想されている。また、Cu以外の元素をドープした場合においても、同様な二回対称性を持つ状態が生じていると報告されている。これらの物質群の二回対称性は、超伝導状態がトポロジカル超伝導状態であることを強く示唆している。一方、STMの実験などでは端状態が見えないという報告もなされており、CuxBi2Se3に関しては、バルク観測量とエッジ敏感観測量の間に齟齬が生じている状況である。これらは当初予想できなかったため、ネマティック超伝導状態のより詳しい物性について調べた。しかしながら、状況を打破するような研究成果を挙げるには時間が不十分であった。
ネマティック超伝導状態はトポロジカル超伝導状態であるため、バルクエッジ対応から端状態が存在すると予想される。もし、なんらかの新しい秩序相が現れるのであれば、端状態が消える可能性がある。そこで、スピン軌道相互作用のないより簡単な系であり端状態をもつd波超伝導体に関して、端状態の存在の安定性について理論的に調べた。Bogoliubov-de Gennes方程式をd波超伝導体ナノアイランド系で自己無撞着に解いた結果、低温で端状態が消失することを明らかにした。そして、端に時間反転対称性を破る新しい秩序状態が生じることがわかった。
また、トポロジカル超伝導体における強相関効果を調べるため、強相関電子系の計算手法である連続時間量子モンテカルロ法の高速化手法についても開発を行った。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] サスカチュワン大学(カナダ)
• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ工科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] サスカチュワン大学(カナダ)
• [Journal Article] Spin resonance in the new-structure-type iron-based superconductor CaKFe4As4 (2017)
  • Author(s): K. Iida, M. Ishikado, Y. Nagai, H. Yoshida, A. D. Christianson, N. Murai, K. Kawashima, Y. Yoshida, H. Eisaki, and A. Iyo
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 86 Issue: 9 Pages: 093703-093703
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.093703
  • NAID: 210000134492
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Self-learning Monte Carlo method: Continuous-time algorithm (2017)
  • Author(s): Nagai Yuki、Shen Huitao、Qi Yang、Liu Junwei、Fu Liang
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.161102
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Time-reversal symmetry breaking and gapped surface states due to spontaneous emergence of new order in d-wave nanoislands (2017)
  • Author(s): Nagai Yuki、Ota Yukihiro、Tanaka K.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 96 Issue: 6
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.060503
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reduced-Shifted Conjugate-Gradient Method for a Green’s Function: Efficient Numerical Approach in a Nano-Structured Superconductor (2017)
  • Author(s): Yuki Nagai, Yasushi Shinohara, Yasunori Futamura, and Tetsuya Sakurai
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 86 Issue: 1 Pages: 014708-014708
  • DOI: 10.7566/jpsj.86.014708
  • NAID: 40021057702
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Self-consistent study of Abelian and non-Abelian order in a two-dimensional topological superconductor (2017)
  • Author(s): S. L. Goertzen, K. Tanaka, and Yuki Nagai
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 95 Issue: 6 Pages: 064509-064509
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.064509
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Orbital angular momentum in a topological superconductor with Chern number higher than 1 (2016)
  • Author(s): Atsuo Shitade and Yuki Nagai
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 93 Issue: 17
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.174517
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Critical temperature enhancement of topological superconductors: A dynamical mean-field study (2016)
  • Author(s): Yuki Nagai, Shintaro Hoshino, and Yukihiro Ota
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 93 Issue: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.220505
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Manifestation of chirality in the vortex lattice in a two-dimensional topological superconductor (2016)
  • Author(s): Evan D. B. Smith, K. Tanaka, Yuki Nagai
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 94 Issue: 6
  • DOI: 10.1103/physrevb.94.064515
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electrical Conductivity through a Single Atomic Step Measured with the Proximity- Induced Superconducting Pair Correlation (2016)
  • Author(s): Howon Kim, Shi-Zeng Lin, Matthias J. Graf, Yoshinori Miyata, Yuki Nagai, Takeo Kato,and Yukio Hasegawa
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW LETTERS Volume: 117 Issue: 11 Pages: 1168021-5
  • DOI: 10.1103/physrevlett.117.116802
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermodynamic evidence for nematic superconductivity in CuxBi2Se3 (2016)
  • Author(s): S. Yonezawa, K. Tajiri, S. Nakata, Y. Nagai, Z. Wang, K. Segawa, Y. Ando, and Y. Maeno
  • Journal Title: Nature Phys. Volume: 13 Issue: 2 Pages: 123-126
  • DOI: 10.1038/nphys3907
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nuclear magnetic relaxation rates of unconventional superconductivity in doped topological insulators (2016)
  • Author(s): Yuki Nagai and Yukihiro Ota
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B Volume: 94 Issue: 13
  • DOI: 10.1103/physrevb.94.134516
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Spontaneous time-reversal breaking and topologically protected gapless states in unconventional nano superconductors (2018)
  • Author(s): Y. Nagai, Y. Ota and K. Tanaka
  • Organizer: TMS-EPiQS 2nd Alliance Workshop; Topological Magnets and Topological Superconductors
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 自己学習連続時間量子モンテカルロ法：機械学習を用いたマルコフ連鎖モンテカルロ法の高速化 (2018)
  • Author(s): Y. Nagai, H. Shen, Y. Qi, J. Liu, and L. Fu
  • Organizer: 2018年日本物理学会年次大会 東京理科大学
• [Presentation] Anti-peak profile of the nuclear magnetic relaxation rate in a superconducting topological insulator (2017)
  • Author(s): 永井佑紀、太田幸宏
  • Organizer: American Physical Society 2017 March meetings
  • Place of Presentation: New Orleans , USA
  • Year and Date: 2017-03-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Second-order phase transition due to disappearance of topological protection in d-wave superconducting nanoislands (2017)
  • Author(s): Y. Nagai, Y. Ota and K. Tanaka
  • Organizer: International Conference on Topological Materials Science 2017 (TopoMat2017)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Time-reversal symmetry breaking phase, gapped surface states, and vortex-antivortex pairs in d-wave nanoislands (2017)
  • Author(s): Y. Nagai, Y. Ota and K. Tanaka
  • Organizer: 16th International Workshop on Vortex Matter in Superconductors (VORTEX 2017)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Self-learning continuous-time quantum Monte Carlo method (2017)
  • Author(s): Y. Nagai, H. Shen, Y. Qi, J. Liu, and L. Fu
  • Organizer: Order, Fluctuations, and Strong Correlations; New Platforms and Developments (INTERTWINED C17)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] d 波超伝導ナノアイランドにおける時間反転対称性の破れた相と渦糸・反渦糸 (2017)
  • Author(s): 永井佑紀、太田幸宏、K. Tanaka
  • Organizer: 第 25 回渦糸物理国内会議
• [Presentation] Pb(111)/Mn5Ge3界面における超伝導強磁性近接効果のSTM観察 (2017)
  • Author(s): Y. Hasegawa, K. Howon, Y. Nagai, and T. Kato
  • Organizer: 2017年日本物理学会秋季大会 岩手大学
• [Presentation] 黒リンにおけるバルク不純物状態のSTM観察 (2017)
  • Author(s): T. Machida, T. Takahashi, Y. Kohsaka, K. Iwatanni, T. Hanaguri, T. Sasagawa, Y. Nagai
  • Organizer: 2017年日本物理学会秋季大会 岩手大学
• [Presentation] ンツブルグ・ランダウ方程式によるCuxBi2Se3のポイントノード秩序に対する渦糸状態 (2017)
  • Author(s): Y. Ota, Y. Nagai, and M. Machida
  • Organizer: 2017年日本物理学会秋季大会 岩手大学
• [Presentation] 単結晶CuxBi2Se3の比熱及び上部臨界磁場の異方性 (2016)
  • Author(s): 田尻兼悟, 米澤進吾, Zhiwei Wang, 永井佑紀, 瀬川耕司, 前野悦輝, 安藤陽一
  • Organizer: 2016年日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] ドープされたトポロジカル絶縁体の超伝導状態での核磁気緩和率の理論的解析 (2016)
  • Author(s): 永井佑紀, 太田幸宏
  • Organizer: 2016年日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Shifted CG法を用いた超伝導自己無撞着平均場計算の実空間高速解法 (2016)
  • Author(s): 永井佑紀, 篠原康, 二村保徳, 櫻井鉄也
  • Organizer: 2016年日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 弱結合近似による2次元トポロジカルs波超伝導の転移温度 (2016)
  • Author(s): 太田幸宏, 永井佑紀、 星野晋太郎
  • Organizer: 2016年日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13