スピン三重項超流動体3He並びにUPt3のトポロジカル励起の理論研究

• Project Area: Topological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries
• Project/Area Number: 25103716
• 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: Ritsumeikan University (2014); Okayama University (2013)
• Principal Investigator: 町田 一成 立命館大学, 理工学部, 非常勤講師 (50025491)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2014: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2013: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: スピン３重項クーパー対 / トポロジカル励起 / 超流動3He / 重い電子系超伝導体 / UPt3 / カイラル超伝導体 / 中性子小角散乱

Outline of Annual Research Achievements

超流動3HeについてはB相のトポロジカル励起としての渦を理論的な立場から調べた。用いた手法は準古典近似に基づくEilenberger方程式とBogoliubov-de Gennes方程式を数値的に解き渦の空間構造と準粒子構造を求めた。同時に位相幾何学的な手法をもちいて計算された渦のトポロジカルな側面を解析的に研究した。3He-B相には可能な渦として６つのタイプが知られている。その内の２つの渦が実験的に観測されている。当該研究の一つの焦点は渦芯に閉じ込められたゼロエネルギーのマヨラナ準粒子がこれら６種類の渦状態に存在するか否かである。その結果対称性の最も高い0-vortexとw-vortexにはマヨラナ準粒子が存在することを明らかにした。又、現在観測されているuvw-vortexには存在しないことも分かった。0-vortexを安定化する方策も併せて考察し、今後のマヨラナ準粒子探索の実験指針を提案した。重い電子系超伝導体UPt3も3He-B相と同様にスピン３重項クーパー対状態にあり、マヨラナ準粒子探索の面から興味深い系である。当該研究課題でこの方向の研究を更に進めた。特に磁場印可で生成される渦芯に束縛されたマヨラナ準粒子の存否を理論的に考察した。想定している対状態は3He-B相とよく似ていて３成分からなるスピン３重項クーパー対状態が磁場と温度の平面で３種類出現する。それぞれの相に対応した、渦の準粒子の励起構造を準古典近似eilenberger方程式を用いて解析した。特に低温低磁場の渦構造は３成分の対状態が渦の周辺にエネルギーを安定化するように出現した、興味深い空間構造を示すことが分かった。そのために渦の格子配列も通常の一成分系の渦で観測される正三角形格子ではなく、それから変形した格子の対称性を示すことも明らかにした。これらを実験的に検証するための実験の提案を行った。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Symmetry-protected vortex bound state in superfluid 3He-B phase (2015)
  • Author(s): Yasumasa Tsutsumi, Takuto Kawakami, Ken Shiozaki, Masatoshi Sato, and Kazushige Machida
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 91 Issue: 14 Pages: 144504-144504
  • DOI: 10.1103/physrevb.91.144504
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hidden crossover phenomena in strongly Pauli-limited multiband superconductors: Application to CeCu2Si2 (2015)
  • Author(s): Y. Tsutsumi, K. Machida, and M. Ichioka
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 92 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.020502
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Pauli paramagnetic effects on mixed-state properties in a strongly anisotropic superconductor: Application to Sr2RuO4 (2015)
  • Author(s): Y. Amano, M. Ishihara, M. Ichioka, N. Nakai, and K. Machida
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 91 Issue: 14
  • DOI: 10.1103/physrevb.91.144513
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Interplay between effective mass anisotropy and Pauli paramagnetic effects in a multiband superconductor: Application to Sr2RuO4 (2015)
  • Author(s): N. Nakai, and K. Machida
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 92 Issue: 5
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.054505
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Eilenberger and London theories for transverse components of flux line lattice form factors in uniaxial superconductors (2014)
  • Author(s): Yuujirou Amano, Masahiro Ishihara, Masanori Ichioka, Noriyuki Nakai, and Kazushige Machida
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 90 Issue: 14
  • DOI: 10.1103/physrevb.90.144514
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Transverse magnetic field and chiral-nonchiral transition in vortex states for nearly B∥ab in chiral p-wave superconductors (2013)
  • Author(s): Masahiro Ishihara, Yuujirou Amano, Masanori Ichioka, and Kazushige Machida
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 87 Issue: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.87.224509
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant