ウラン化合物における多重超伝導相の解明と多極子クーパー対の動的電磁応答

• Project Area: J-Physics: Physics of conductive multipole systems
• Project/Area Number: 18H04318
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 藤本 聡 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (10263063)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 超伝導 / ワイル超伝導 / ベリー曲率 / カイラル異常 / ワイル粒子 / 多極子 / ウラン化合物 / 異常ホール効果 / 強磁性

Outline of Annual Research Achievements

ウラン系強磁性超伝導で期待されるワイル超伝導物性の理論解明を進めた。ワイル超伝導とは超伝導中で準粒子励起がワイル粒子として振る舞う系であり、ワイル粒子のバンド構造が非自明なトポロジカル構造に関連したベリー曲率を有し、それが様々な特異物性を生み出す。本研究では特に、結晶構造の変形や超伝導渦が生み出すワイル準粒子に有効的に作用する擬似的電磁場の効果について重点的に研究を行った。その結果、以下の成果をあげることができた。
(1) 格子変形や渦の生み出す擬似的磁場によって、ワイル粒子に特徴的なカイラル異常現象である、負の熱磁気抵抗が実現することを理論的に明らかにした。通常の磁気抵抗は磁場に垂直な方向の電子の流れに対する抵抗であるが、カイラル異常に関連した磁気抵抗では、擬似的磁場の平行な方向に流れに対する抵抗である。さらにこの抵抗が擬似的磁場の増大とともに減少する（負の磁気抵抗）という点に、通常の電子の輸送現象とは全く異なる特徴がある。超伝導状態に起因するワイル準粒子については、超伝導電流の存在のため、電気抵抗として観測されることはないが、しかし、熱流によって実現することが可能であることを明らかにした。
(2) 格子変形が生み出す擬似的なカイラル磁場によって、カイラル磁場に平行な方向に超伝導電流が発生することを理論的に発見した。
(3) クーパー対の運ぶ軌道角運動量の方向の空間分布がスキルミオンのような渦構造を持つ場合、それに由来するカイラル異常現象として、カイラル磁気効果が発現することを明らかにした。
また、上記の研究を遂行するために、非平衡超伝導現象を扱う基礎理論である準古典近似をトポロジカルなベリー曲率の効果を含めるように拡張発展させた。
また、上記に加えてさらに、ウラン系超伝導に特徴的な全角運動量j=5/2のクーパー対状態の常磁性効果と巨大な上部臨界磁場との関係も明らかにした。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ノースウエスタン大学(米国)
• [Journal Article] Paramagnetic Effects of j-electron Superconductivity and Application to UTe2 (2021)
  • Author(s): Hiranuma Kozo、Fujimoto Satoshi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 90 Issue: 3 Pages: 034707-034707
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.034707
  • NAID: 40022510395
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ab initio simulation of non-Abelian braiding statistics in topological superconductors (2021)
  • Author(s): T. Sanno, S. Miyazaki, T. Mizushima, S. Fujimoto
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 103 Issue: 5 Pages: 054504-054504
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.054504
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Topological piezoelectric effect and parity anomaly in nodal line semimetals (2020)
  • Author(s): Matsushita Taiki、Fujimoto Satoshi、Schnyder Andreas P.
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Issue: 4 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.043311
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Topological phase transition to Abelian anyon phases due to off-diagonal exchange interaction in the Kitaev spin liquid state (2020)
  • Author(s): Takikawa Daichi、Fujimoto Satoshi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 102 Issue: 17 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.174414
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Disorder-induced exceptional and hybrid point rings in Weyl/Dirac semimetals (2019)
  • Author(s): Matsushita Taiki、Nagai Yuki、Fujimoto Satoshi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 100 Issue: 24
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.245205
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chiral Higgs Mode in Nematic Superconductors (2019)
  • Author(s): Uematsu Hiroki、Mizushima Takeshi、Tsuruta Atsushi、Fujimoto Satoshi、Sauls J.?A.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 123 Issue: 23
  • DOI: 10.1103/physrevlett.123.237001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impact of off-diagonal exchange interactions on the Kitaev spin-liquid state of α-RuCl3 (2019)
  • Author(s): Takikawa Daichi、Fujimoto Satoshi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99 Issue: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.224409
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Torsional chiral magnetic effect due to skyrmion textures in a Weyl superfluid 3He-A (2019)
  • Author(s): Y. Ishihara, T. Mizushima, A. Tsuruta, and S. Fujimoto
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 99 Issue: 2 Pages: 0245131-13
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.024513
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Negative Thermal Magnetoresistivity as a Signature of Chiral Anomaly in Weyl Superconductors (2018)
  • Author(s): T. Kobayashi, T. Matsushita, T. Mizushima, A. Tsuruta, and S. Fujimoto
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 121 Issue: 20 Pages: 2070021-6
  • DOI: 10.1103/physrevlett.121.207002
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Topological quantum computation with Majorana fermion (2020)
  • Author(s): Satoshi Fujimoto
  • Organizer: 新世代研究所スピントロニクス研究会,新世代研究所, 東京
  • Invited
• [Presentation] 多極子クーパー対とワイル超伝導の側面 (2020)
  • Author(s): 藤本聡
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会、オンライン
  • Invited
• [Presentation] Chiral electromagnetism in Weyl/Dirac superconductors (2019)
  • Author(s): Satoshi Fujimoto
  • Organizer: Trends in Theory of Correlated Materials, Geneva, Switzerland
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Chiral anomaly and chiral electromagnetism in Weyl/Dirac superconductors (2018)
  • Author(s): Satoshi Fujimoto
  • Organizer: 12th International Conference on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications (CMCEE 2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Chiral anomaly and chiral electromagnetism in Weyl/Dirac superconductors (2018)
  • Author(s): Satoshi Fujimoto
  • Organizer: Erice Workshop 2018 "Majorana Fermions and Topological Materials Science" (Erice, Sicily, Italy, 2018/Jul/21-27)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nematicity and chirality in odd-parity superconductors with strong spin-orbit coupling (2018)
  • Author(s): Satoshi Fujiomto
  • Organizer: International Workshop on j-fermion Physics and Materials
  • Int'l Joint Research