空間反転対称性の破れた超伝導体の渦糸状態におけるトポロジカル量子現象

• Project Area: Topological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries
• Project/Area Number: 23103505
• 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: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 横山 毅人 東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (30578216)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2012: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2011: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: トポロジカル絶縁体 / トポロジカル超伝導体

Outline of Annual Research Achievements

近年発見されたトポロジカル絶縁体は従来知られているバンド絶縁体とトポロジカルな意味で異なる状態として注目を集めている。その特徴は時間反転対称性を破らない摂動に対してロバストな表面状態の存在であり、表面の電子は低エネルギーでDirac方程式に従うことが知られている。
我々は、トポロジカル絶縁体に強磁性体を接合した系において、磁化が歳差運動をする場合に表面に生成される電流を調べた。歳差運動の軸が表面内にある場合、磁化の運動によって直流電流が生成されることがわかった。この整流効果はパリティ異常に起因しており、トポロジカルに保護されていることも明らかにした。
また、近年トポロジカル絶縁体を介したジョセフソン効果の実験が行われているが、我々はトポロジカル絶縁体表面におけるジョセフソン効果と近接効果を汎関数積分法を用いて調べた。接合界面が乱れた接合を考え、超伝導領域はディラック電子ではなくシュレディンガー方程式に従う電子によりモデル化した。ジョセフソン電流の解析的な表式を与え、その特性とトポロジカル絶縁体表面に誘起される超伝導の対称性を明らかにした。特に表面に奇周波数トリプレット超伝導が誘起されることを示した。また、この系に強磁性体を接合したときのジョセフソン効果も調べた。最近の実験との整合性も明らかにした。
さらに、不純物に起因するスピン軌道相互作用の大きさが空間的に変化している場合のスピン流の吸収問題を調べた。電場あるいはスピン蓄積によるスピン流が存在している系を考え、スピン軌道相互作用の空間勾配に起因するスピン流の存在を明らかにした。これを応用し、異なるスピン軌道相互作用の大きさを持つ金属接合の界面におけるスピン流の吸収を議論し、実験との関連性も議論した。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Spin-current absorption by inhomogeneous spin-orbit coupling (2012)
  • Author(s): K. Tsutsui, K. Hosono, and T. Yokoyama
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 86 Issue: 15 Pages: 155210-155210
  • DOI: 10.1103/physrevb.86.155210
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Josephson and proximity effects on the surface of a topological insulator (2012)
  • Author(s): T. Yokoyama
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 86 Issue: 7
  • DOI: 10.1103/physrevb.86.075410
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Topological charge pumping effect by the magnetization dynamics on the surface of three-dimensional topological insulators (2012)
  • Author(s): Hiroaki T.Ueda, Akihito Takeuchi, Gen Tatara, Takehito Yokoyama
  • Journal Title: Physical Review B Volume: VOL.85 Issue: 11
  • DOI: 10.1103/physrevb.85.115110
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anomalous Meissner Effect in a Normal-Metal-Superconductor Junction with a Spin-Active Interface (2011)
  • Author(s): T. Yokoyama, Y. Tanaka and N. Nagaosa
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 106 Issue: 24 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1103/physrevlett.106.246601
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Current-induced magnetization reversal on the surface of a topological insulator (2011)
  • Author(s): T.Yokoyama
  • Journal Title: Phys.Rev.B Volume: 84 Issue: 11
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.113407
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Topology of Andreev bound states with flat dispersion (2011)
  • Author(s): M.Sato, Y.Tanaka, K.Yada, T.Yokoyama
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 83 Issue: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.83.224511
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluation of spin polarization in p-In0.96Mn0.04As using Andreev reflection spectroscopy including inverse proximity effect (2011)
  • Author(s): T.Akazaki, T.Yokoyama, Y.Tanaka, H.Munekata, H.Takayanagi
  • Journal Title: Phys.Rev.B Volume: 83 Issue: 15
  • DOI: 10.1103/physrevb.83.155212
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge pumping due to triplet vector chirality in ferromagnet/triplet superconductor junctions (2011)
  • Author(s): T.Yokoyama
  • Journal Title: Phys.Rev.B Volume: 84 Issue: 13
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.132504
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spin Current in Generic Hybrid Structures due to Interfacial Spin-Orbit Scattering (2011)
  • Author(s): J.Linder, T.Yokoyama
  • Journal Title: Phys.Rev.Lett Volume: 106 Issue: 23
  • DOI: 10.1103/physrevlett.106.237201
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transport properties in ferromagnetic Josephson junctions between triplet superconductors (2011)
  • Author(s): Y Rahnavard, G Rashedi, T Yokoyama
  • Journal Title: J.Phys. : Condens.Matter Volume: 23 Issue: 27 Pages: 275702-275702
  • DOI: 10.1088/0953-8984/23/27/275702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electromagnetic spin polarization on the surface of topological insulator (2011)
  • Author(s): T.Misawa, T.Yokoyama, S.Murakami
  • Journal Title: Phys.Rev.B Volume: 84 Issue: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.165407
  • Peer Reviewed
• [Presentation] スピン活性な界面を持つ金属/超伝導体接合における異常なマイスナー効果 (2013)
  • Author(s): 横山毅人
  • Organizer: 日本物理学会 第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島県)
  • Year and Date: 2013-03-26
• [Presentation] Spintronics with topological insulators and triplet superconductors (2012)
  • Author(s): 横山毅人
  • Organizer: IAS Asia Pacific Workshop on Condensed Matter Physics
  • Place of Presentation: The Hong Kong University of Science and Technology(Hong Kong)
  • Year and Date: 2012-12-14
  • Invited
• [Presentation] トポロジカル絶縁体表面におけるジョセフソン効果と近接効果 (2012)
  • Author(s): 横山毅人
  • Organizer: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大(神奈川県)
  • Year and Date: 2012-09-20
• [Presentation] トポロジカル絶縁体表面における磁気的熱輸送 (2012)
  • Author(s): 横山毅人
  • Organizer: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大(神奈川県)
  • Year and Date: 2012-09-20
• [Presentation] Spintronics using topological insulators and triplet superconductors (2012)
  • Author(s): 横山毅人
  • Organizer: The 8th International Workshop on Nanomagnetism and Superconductivity
  • Place of Presentation: Coma-ruga(Spain)
  • Year and Date: 2012-07-01
  • Invited
• [Presentation] 強磁性体/超伝導体接合における奇周波数ペア (2011)
  • Author(s): 横山毅人
  • Organizer: 文部科学省科学研究費補助金新学術領域研究「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」第2回領域研究会(平成23年度)
  • Place of Presentation: 岡山大学(岡山)
  • Year and Date: 2011-12-17
• [Presentation] Odd frequency superconductivity in symmetry breaking systems (2011)
  • Author(s): 横山毅人
  • Organizer: International Workshop for Young Researchers on Topological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries
  • Place of Presentation: ラフォーレ琵琶湖(滋賀)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-03
• [Presentation] 強磁性体/超伝導体接合における近接効果 (2011)
  • Author(s): 横山毅人
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学(富山)
  • Year and Date: 2011-09-22
• [Presentation] 強磁性体/超伝導体接合における近接効果の理論 (2011)
  • Author(s): 横山毅人
  • Organizer: 文科省新学術領域「トポロジカル量子現象」第7回集中連携研究会「奇周波数クーパー対」
  • Place of Presentation: 名古屋大学(名古屋)
  • Year and Date: 2011-09-08
• [Book] Spin Current (2012)
  • Author(s): S. Murakami
  • Total Pages: 464
  • Publisher: Oxford University Press
• [Remarks]
  • URL: http://www.stat.phys.titech.ac.jp/~yokoyama/papers.html