Nonequilibrium phenomena in superconducting liquid crystals

• Project Area: Physical Properties of Quantum Liquid Crystals
• Project/Area Number: 22H04480
• 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: Osaka University
• Principal Investigator: 水島 健 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (50379707)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 超伝導 / ヒッグスモード / 光渦 / 量子液晶 / スピン液体 / エニオン / 非平衡現象 / 対密度波

Outline of Research at the Start

本研究の目的は、トポロジー・揺らぎ・非線形効果といった多角的視点から 『超伝導液晶秩序』に由来した普遍的な非平衡現象を抽出することである。超伝導液晶の例として、中性子星内部に現れるネマティック超流動や、超流動3He薄膜中に存在する対密度波などがあげられる。これらの系は高い対称性を持つため、そこに生じる液晶秩序は豊かな内部自由度やトポロジーを内包する。本課題では、 内部自由度に由来する豊富な揺らぎが対密度波の長距離秩序に与える影響や、液晶秩序に固有のトポロジカル励起のダイナミクスを調べる。加えて、高強度の光渦レーザーを利用し、超伝導液晶固有の非線形光学現象やトポロジカル励起の高速生成を探求する。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、主に以下の2つの研究について取り組んだ：（１）光渦を用いた超伝導体の非線形光学応答とHiggs励起の理論研究と、（２）Kitaevスピン液体におけるイジングエニオンと非局所相関の理論。(1)については、超伝導秩序とゲージ場に対するマクロな有効理論を用いて、光渦のパルスを照射した後の超伝導のダイナミクスに関する数値シミュレーションを実施した。光渦の軌道角運動量によって、Higgsを媒介とした三次高調波発生の強度が増幅することができることを見出した。この増強効果には、超伝導の位相自由度が重要な役割を担っていることも明らかにした。一連の研究成果を論文として取りまとめて発表した。さらに、微視的理論による計算を実施することで、マクロな有効理論による結果を再現するだけでなく、有効理論では無視していたBogoliubov準粒子励起の寄与を取り込んで、非線形光学応答への準粒子励起とHiggs励起の寄与について議論した。この結果は論文として取りまとめていて、近々投稿予定である。（２）については、Kitaev模型に格子欠陥を導入すると、基底状態としてマヨラナ束縛状態を伴うZ2渦が生じることを明らかにした。このマヨラナ束縛状態は非可換エニオンとして振る舞う（イジングエニオン）。このイジングエニオンの持つ特徴として、非局所相関（マヨラナテレポーテーション）があげられる。我々は、2つの格子欠陥の間のスピン相関を通して、この非可換エニオンの持つ非局所相関を検出することができることを示した。これは、金属基盤とKitaev磁性薄膜との接合系において実現することができ、非局所スピン相関は2つのSTM端子を用いることで、電気的信号として捉えることができる。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Non-Abelian anyons and non-Abelian vortices in topological superconductors (2024)
  • Author(s): Masaki Yusuke、Mizushima Takeshi、Nitta Muneto
  • Journal Title: Encyclopedia of Condensed Matter Physics (Second Edition) Volume: 2 Pages: 755-794
  • DOI: 10.1016/b978-0-323-90800-9.00225-0
  • ISBN: 9780323914086
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pairing symmetries of multiple superconducting phases in UTe2: Competition between ferromagnetic and antiferromagnetic fluctuations (2024)
  • Author(s): Jushin Tei, Takeshi Mizushima, Satoshi Fujimoto
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 109 Issue: 6 Pages: 064516-064516
  • DOI: 10.1103/physrevb.109.064516
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhanced 2pi-periodic Aharonov-Bohm Effect as a Signature of Majorana Zero Modes Probed by Nonlocal Measurements (2023)
  • Author(s): Masayuki Sugeta, Takeshi Mizushima, Satoshi Fujimoto
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 92 Issue: 5 Pages: 054701-054701
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.054701
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Possible realization of topological crystalline superconductivity with time-reversal symmetry in UTe2 (2023)
  • Author(s): Jushin Tei, Takeshi Mizushima, Satoshi Fujimoto
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Issue: 14 Pages: 144517-144517
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.144517
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Imprinting spiral Higgs waves onto superconductors with vortex beams (2023)
  • Author(s): Takeshi Mizushima, Masahiro Sato
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 5 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.5.l042004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nonlocal Spin Correlation as a Signature of Ising Anyons Trapped in Vacancies of the Kitaev Spin Liquid (2023)
  • Author(s): Takahashi Masahiro O.、Yamada Masahiko G.、Udagawa Masafumi、Mizushima Takeshi、Fujimoto Satoshi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 131 Issue: 23 Pages: 236701-236701
  • DOI: 10.1103/physrevlett.131.236701
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Odd-frequency pairs and anomalous proximity effect in nematic and chiral states of superconducting topological insulators (2023)
  • Author(s): Mizushima Takeshi、Tamura Shun、Yada Keiji、Tanaka Yukio
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Issue: 6 Pages: 064504-064504
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.064504
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anomalous acoustoelectric effect induced by clapping modes in chiral superconductors (2022)
  • Author(s): T. Matsushita, T. Mizushima, I. Vekhter, S. Fujimoto
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 13 Pages: 134520-134520
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.134520
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Non-Abelian half-quantum vortices in <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow /><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math> topological superfluids (2022)
  • Author(s): Y. Masaki, T. Mizushima, M. Nitta
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 22 Pages: 220503-220503
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.l220503
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Manipulation of Majorana-Kramers qubit and its tolerance in time-reversal invariant topological superconductor (2022)
  • Author(s): Y. Tanaka, T. Sanno, T. Mizushima, S. Fujimoto
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 1 Pages: 014522-014522
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.014522
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intrinsic Anomalous Thermal Hall Effect in the Unconventional Superconductor UTe₂ (2022)
  • Author(s): Y. Moriya, T. Matsushita, M. G. Yamada, T. Mizushima, S. Fujimoto
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 91 Issue: 9 Pages: 094710-094710
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.094710
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Engineering Yang-Lee anyons via Majorana bound states (2022)
  • Author(s): T. Sanno, M. G. Yamada, T. Mizushima, S. Fujimoto
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 17 Pages: 174517-174517
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.174517
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Pair Density Waves in Topological Superfluid 3He (2023)
  • Author(s): Takeshi Mizushima
  • Organizer: Superstripes 2023: Quantum physics in Complex Matter
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] スピン3重項クーパー対が誘起するスピン輸送現象 (2023)
  • Author(s): 水島健
  • Organizer: 渦糸物理ワークショップ
• [Presentation] Third Harmonic Generation and Higgs Excitations in Superconductors Using Vortex Beams (2023)
  • Author(s): 水島健
  • Organizer: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] 光渦で探る超伝導ヒッグスモード (2023)
  • Author(s): 水島健
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
  • Invited
• [Presentation] Pair Density Waves in Confined Superfluid 3He (2022)
  • Author(s): Takeshi Mizushima
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] トポロジカル超伝導における交差相関応答 (2022)
  • Author(s): 水島健
  • Organizer: 短期研究会「不均一系の超伝導・超流動」
  • Invited
• [Presentation] トポロジカル絶縁体のネマティック・カイラル超伝導相における奇周波数クーパー対と異常近接効果 (2022)
  • Author(s): 水島健，田村駿，矢田圭司，田仲由喜夫
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] s波超伝導体における光渦を用いたHiggsモード励起と線形光学応答の理論 (2022)
  • Author(s): 水島健
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 非ユニタリ超伝導体を舞台としたスピンカロリトロニクスの理論 (2022)
  • Author(s): 水島健
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] テラヘルツ光渦で探る超伝導体のHiggsモード (2022)
  • Author(s): 水島健
  • Organizer: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] 光渦で探る超伝導ヒッグスモード (2022)
  • Author(s): 水島健
  • Organizer: 第3回光渦研究会