対称性の破れた磁性体・超伝導体ナノ接合系における量子輸送理論

• Project Area: Topological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries
• Project/Area Number: 23103520
• 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: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 川畑 史郎 独立行政法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 主任研究員 (30356852)
• 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: 超伝導接合 / スピントロニクス / 近接効果 / スピンフィルター / 奇周波数ペアリング / 準古典グリーン関数法 / 電子冷却 / 磁性半導体 / 超伝導材料・素子 / スピンエレクトロニクス / 量子コンピュータ / 強相関エレクトロニクス / 物性理論 / ジョセフソン接合 / 強磁性絶縁体 / メゾスコピック系

Outline of Annual Research Achievements

近年、対称性の破れた微小超伝導接合を舞台としてトポロジカルに非自明な量子状態の実現を目指した研究が盛んに行われている。 本研究では、時間反転対称性の破れた磁性体/超伝導接合に現れる異常な量子輸送現象の理論構築とその応用を目指して研究を進めてきた。具体的には以下のテーマに関して研究を行った。[1]「超伝導体/磁性体接合における奇周波数クーパー対とその検証法の提唱」磁化が非一様な磁性体と超伝導体を接合した系においては、磁性体中にスピントリプレット奇周波数クーパー対が誘起されることが理論的に予言されている。本研究では、磁性体中の準粒子状態密度に表れるゼロエネルギーピークを観測することによって、奇周波数クーパー対の存在を実験的に検出できることを準古典グリーン関数法を用いて示した。[2]「磁性半導体・超伝導接合を用いた電子冷却器」量子デバイスや検出器を冷却する技術として金属/絶縁体/超伝導体接合(NIS)冷却に関する研究が注目を集めている。しかしながら超伝導金属界面におけるアンドレーフ反射のために冷却効率が期待したほど増大しないという深刻な問題があり、それが実用化のための大きな障害となっていた。そこで、絶縁体の代わりに磁性半導体スピンフィルターを用いることによって、アンドレーフ反射が抑制され、通常のNIS冷却器の理論限界を大幅に上回る冷却性能が引き出せることを示した。今後は実験グループとの共同研究を進めていく予定である。

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] Andreev current and subgap conductance of spin-valve SFF structures (2013)
  • Author(s): A. S. Vasenko, A. Ozaeta, S. Kawabata, F.W. J. Hekking, F. S. Bergeret
  • Journal Title: Journal of Superconductivity and Novel Magnetism Volume: 26 Issue: 5 Pages: 1951-1956
  • DOI: 10.1007/s10948-012-2044-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theory of finite temperature Josephson transport through a ferromagnetic insulator (2012)
  • Author(s): S. Nakamura, S. Souma, M. Ogawa, and S. Kawabata
  • Journal Title: Physics Procedia Volume: Vol.27 Pages: 308-311
  • DOI: 10.1016/j.phpro.2012.03.472
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spectrum of Andreev bound states in Josepshon junctions with a ferromagnetic insulator (2012)
  • Author(s): S.Kawabata, Y.Tanaka, A.A.Golubov, A.S.Vasenko, Y.Asano
  • Journal Title: Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume: (印刷中) Issue: 21 Pages: 3467-3470
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2012.02.067
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Josephson effect through an anisotropic magnetic molecule (2011)
  • Author(s): I.A.Sadovskyy, D.Chevallier, T.Jonckheere, M.Lee, S.Kawabata, T.Martin
  • Journal Title: Phys.Rev.B Volume: 84 Issue: 18
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.184513
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 強磁性絶縁体を利用した超伝導スピントロニクス (2011)
  • Author(s): 川畑史郎
  • Journal Title: パリティ Volume: 26 Pages: 48-52
  • NAID: 40019032641
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Current-voltage characteristics of tunnel Josephson junctions with a ferromagnetic interlayer (2011)
  • Author(s): S. Vasenko, S. Kawabata, A. A. Golubov, M. Yu. Kupriyanov, C. Lacroix, F. S. Bergeret, and F. W. J. Hekking
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: Vol.84 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.024524
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Crossover between odd and even frequency paring in a superconductor/ferromagnet junctions (2013)
  • Author(s): S. Kawabata, Y. Asano, Y. Tanaka, A. A. Golubov
  • Organizer: QS2C Theory Forum: International Symposium on "Strongly Correlated Quantum Science"
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2013-01-26
• [Presentation] Superconducting-spintronics devices based on ferromagnetic insulators (2012)
  • Author(s): S. Kawabata
  • Organizer: 4th Worldwide Universities Network International Conference on Spintronics (WUN-SPIN2012)
  • Place of Presentation: Sydney（オーストラリア）
  • Year and Date: 2012-07-23
  • Invited
• [Presentation] 不均一磁性体/超伝導接合系における近接効果の準古典グリーン関数理論 (2012)
  • Author(s): 川畑史郎、T.Y.Karminskaya、M.Y.Kupriyanov、田仲由喜夫、A.A.Golubov
  • Organizer: 2012年日本物理学年次大会
  • Place of Presentation: 兵庫県、関西学院大学
  • Year and Date: 2012-03-24
• [Presentation] Quantum transport theory of ferromagnetic-insulator based Josephson Junctions (2012)
  • Author(s): S.Kawabata
  • Organizer: Pathbreaking Phase Sciences in Superconductivity 2012 (PPSS2012)
  • Place of Presentation: 大阪府、大阪歴史博物館(招待講演)
  • Year and Date: 2012-01-13
• [Presentation] Odd-frequency paring in superconducting heterostructures (2012)
  • Author(s): A. A. Golubov, Y. Tanaka, Y. Asano, S. Kawabata, Y. Tanuma
  • Organizer: International Conference on Topological Quantum Phenomena (TQP2012)
  • Place of Presentation: 名古屋大学（名古屋）
  • Invited
• [Presentation] Proximity effect of odd-frequency cooper pairs (2012)
  • Author(s): Y. Asano, Y. Tanaka, A. A. Golubov, S. Kawabata, S. Kashiwaya
  • Organizer: International Conference on Topological Quantum Phenomena (TQP2012)
  • Place of Presentation: 名古屋大学（名古屋）
  • Invited
• [Presentation] The appearance of robust odd frequency paring in superconductor/inhomogeneous-ferromagnet junctions (2012)
  • Author(s): S. Kawabata, Y. Asano, Y. Tanaka,, A. A. Golubov
  • Organizer: International Conference on Topological Quantum Phenomena (TQP2012)
  • Place of Presentation: 名古屋大学（名古屋）
• [Presentation] 超伝導を用いた量子情報処理技術 (2012)
  • Author(s): 川畑史郎
  • Organizer: 応用物理学会超伝導分科会第45回研究会「多面的に広がる超伝導技術の活用 宇宙から地中まで」
  • Place of Presentation: 国際超電導産業技術研究センター（東京）
  • Invited
• [Presentation] 強磁性絶縁体を用いたジョセフソンπ接合の理論：コヒーレント量子ビット実現に向けて (2012)
  • Author(s): 中村周平、相馬聡文、小川真人、川畑史郎
  • Organizer: 最先端研究開発支援プログラム量子情報処理プログラム夏期研修会2012
  • Place of Presentation: 沖縄
• [Presentation] A robust long-range triplet-paring in ferromagnet/superconductor junctions (2012)
  • Author(s): S. Kawabata, Y. Asano, Y. Tanaka,, A. A. Golubov
  • Organizer: Workshop: Superconducting Nanohybrids 2012
  • Place of Presentation: San Sebastian（スペイン）
• [Presentation] Robustness of long-range triplet-paring in ferromagnet/superconductor junctions (2012)
  • Author(s): S. Kawabata, Y. Asano, Y. Tanaka, A. A. Golubov
  • Organizer: International workshop: MAMA-Hybrids - Multifunctional Hybrids And Organics,
  • Place of Presentation: Ischia（イタリア）
• [Presentation] Electronic cooling in metal/spin-filter/superconductor junctions (2012)
  • Author(s): S. Kawabata, A. S. Vasenko, F. W. J. Hekking
  • Organizer: 25th International Symposium on Superconductivity (ISS2012)
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 超伝導/スピンフィルター接合における電子冷却の理論 (2012)
  • Author(s): 川畑史郎、柏谷聡、Andrey S. Vasenko、Frank Hekking
  • Organizer: 第20回磁束線物理国内会議 (VPWJ2012)
  • Place of Presentation: 岡山県
• [Presentation] 対称性の破れた磁性体・超伝導体ナノ接合系における量子輸送理論 (2012)
  • Author(s): 川畑史郎
  • Organizer: 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」公募研究最終年度報告会
  • Place of Presentation: 大阪市
• [Presentation] 非一様磁化構造への超伝導近接効果に関する準古典理論 (2011)
  • Author(s): 川畑史郎、T.Karminskaya、M.Kupuriyanov、田仲由喜夫、A.A.Golubov
  • Organizer: 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
  • Place of Presentation: 岡山県、岡山大学
  • Year and Date: 2011-11-17
• [Presentation] 超伝導体/半導体/強磁性体接合における輸送特性 (2011)
  • Author(s): 赤崎達志、関根佳明、川畑史郎、横山毅人、田仲由喜夫、高柳英明
  • Organizer: 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
  • Place of Presentation: 岡山県、岡山大学
  • Year and Date: 2011-11-17
• [Presentation] Theory of Josephson effect through exotic magnetic materials (2011)
  • Author(s): S.Kawabata, Y.Tanaka, S.Kashiwaya, A.A.Golubov, Y.Asano
  • Organizer: International Workshop for Young Researchers on Topological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries
  • Place of Presentation: 滋賀県、ラフォーレ琵琶湖
  • Year and Date: 2011-11-01
• [Presentation] Novel Superconducting-spintornics Device : Ferromagnetic Insulator based Josephson Junctions (2011)
  • Author(s): S.Kawabata
  • Organizer: BIT's 1st Annual World Congress of Nano-S&T
  • Place of Presentation: Dalian/China(招待講演)
  • Year and Date: 2011-10-23
• [Presentation] Atomic scale O-π transition and Andreev spectrum in a Josephson junction with a ferromagnetic insulator (2011)
  • Author(s): S.Kawabata, Y.Tanaka, S.Kashiwaya, A.A.Golubov, Y.Asano
  • Organizer: Superconductivity and Magnetism (SM-2011)
  • Place of Presentation: Kishinev/Moldova(招待講演)
  • Year and Date: 2011-10-06
• [Presentation] 対称性の破れた磁性体・超伝導体ナノ接合系における量子輸送理論 (2011)
  • Author(s): 川畑史郎
  • Organizer: 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」公募研究キックオフミーティング
  • Place of Presentation: 富山県、カナルパークホテル富山
  • Year and Date: 2011-09-20
• [Presentation] Theory of Josephson transport through ferromagnetic insulators and semiconductors (2011)
  • Author(s): S.Kawabata, Y.Tanaka, S.Kashiwaya, A.S.Vasenko, A.A.Golubov, Y.Asano
  • Organizer: Moscow International Symposium on Magnetism (MISM2011)
  • Place of Presentation: Moscow/Russia(招待講演)
  • Year and Date: 2011-08-21