2015 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Frontiers of materials science spun from topology |
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| Project/Area Number |
15H05855
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
川上 則雄 京都大学, 理学研究科, 教授 (10169683)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上田 正仁 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70271070)
佐藤 昌利 京都大学, 基礎物理学研究所, 教授 (30313117)
水島 健 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (50379707)
西田 祐介 東京工業大学, 大学院理工学研究科(理学系), 准教授 (80704288)
新田 宗土 慶應義塾大学, 商学部(日吉), 准教授 (60433736)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | トポロジー / 物質科学 / 準粒子 / 理論物理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、トポロジカル量子現象に関して以下の成果を得た。
●トポロジカルモット絶縁体において、トポロジーと電子相関の絡み合いによる「温度に誘起されたトポロジカルエッジ状態」の出現を理論的に提案した。●時間反転対称性を破り周期的に変調されたハニカム光格子中のボース・アインシュタイン凝縮体が、トポロジカルな性質によりカイラルエッジ準粒子を生むことを明らかにし、相互作用の増加に伴いトポロジカルに非自明な領域が広がることを見出した。●ディラック半金属やトポロジカル結晶絶縁体などにキャリアをドープした時に現れる超伝導状態の研究を行った。特に、ディラック半金属の超伝導状態がトポロジカル結晶超伝導体になりうること、その表面に4組のマヨラナ励起が生じることを示した。●超伝導体・超流動体におけるトポロジカル構造と対称性の関係性について、超流動3Heを中心に調べた。3Heの持つ高い対称性がマヨラナイジングスピンやワイルフェルミオンなどの豊富なトポロジカル量子現象をもたらすことを明らかにした。●量子ドット系におけるコンダクタンスの測定と等価な測定を、冷却原子気体におけるスピンの自由度を用いて行えることを示した。特に近藤効果の観測に用いることができることを示し、トポロジカル近藤格子系の性質の解明へと繋がりうる成果を得た。●磁場下のトリプレットの中性子超流動をGL理論で解析することで、整数渦の解を構成しその性質を調べた。カラー超伝導において、非アーべリアン渦のコアに局在する、Majoranaフェルミオンモードと南部Goldstoneモードの相互作用を決定した。●対称性に守られたトポロジカル相を基底状態に持つクラスター模型を拡張し、基底状態相図と非平衡ダイナミクスを調べた。その相図に複数のトポロジカル相が現れることを示し、二つのトポロジカル相をまたぐスイープダイナミクスの非断熱性を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り、研究がおおむね順調に進んでいる。本計画研究の主テーマである強相関トポロジカル絶縁体、トポロジカル超伝導・超流動、冷却原子系でのトポロジカル現象などに、計画にほぼ沿った形で成果が得られた。以下に項目ごとに進捗状況のポイントをまとめる。
●【強相関系】強相関トポロジカル絶縁体に関して提案した「温度誘起のエッジモット準粒子」はトポロジーと相関効果により初めて出現するもので、今後の実験に刺激を与えると考えられる。また、非平衡下での対称性に守られたトポロジカル相におけるダイナミクスも、今後さらなる研究の進展が期待される。
●【超伝導・超流動】ディラック半金属にキャリアをドープして現れる超伝導状態の研究は、対称性に守られたトポロジカル相の典型例となっている。また、超流動3Heを中心に調べた「トポロジカル構造と対称性の関係性」を、UPt3やCuxBi2Se3の非従来型超伝導特性との類似性にまで言及することができた。
●【冷却原子系】光格子系で理論的に予言したカイラルエッジ準粒子は、基底状態の凝縮体をエッジモードにコヒーレントに励起することによって実験的に観測可能である。また、スピノール・ボース・アインシュタイン凝縮において、渦のコアに局在し渦線方向に非自明なテクスチャーの構成方法を提案した。将来的に、冷却原子系でこれらの現象が実験的に観測されることが期待される。
●【対称性に守られたトポロジカル相】上記の非平衡トポロジカル相やドープしたディラック系での超伝導は、対称性に守られたトポロジカル量子相の典型例となっている。この方向でのトポロジカル量子相の研究は、今後さらに広がりを見せ、実験・理論両面から急速に進展することが期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後とも、強相関系、超伝導・超流動、半金属などに現れるトポロジカル量子相に重点を置いた研究を行う。他の計画班および公募研究班との連携研究を推進する。以下に、いくつかの項目に分けて、今後の推進方策をまとめる。
●【強相関】トポロジーと強相関効果が生み出す新奇なトポロジカル相の探索を行う。中でも、量子スピン系や冷却原子系でのトポロジカルな性質の解明に重点を置く。D01の連携研究者に量子スピン系の専門家の戸塚（京大）が加わった。A班の実験グループや理論の公募班との連携研究も推進する。●【対称性】以下の超伝導・超流動の研究とも重なるが、時間反転や結晶の対称性に守られたトポロジカル絶縁体・超伝導体の研究を進める。特に、非共形な結晶対称性に守られた表面エキゾチック準粒子の性質を明らかにする。B01班との連携研究を推進する。●【超伝導・超流動】輸送現象や電磁応答に重点を置く。特に、表面のマヨラナ粒子やバルク中のワイル点による影響を明らかにする。系の表面や渦に付随するマヨラナ粒子の非可換統計を明らかにする。A01班と連携することで、スピン三重項超伝導との関連を明らかにする。●【冷却原子系】C01班の公募研究に冷却原子実験の専門家である高橋（京大）が加わったので、最新の実験を取り入れた理論を展開する。具体的問題としては、２次元フェルミ気体に関して反平行磁場中の相構造を解明するとともに、新奇なトポロジカル量子相の出現可能性を調べる。また、二成分ボース気体に関して、人工ゲージ場中での量子ホール状態からスピン・シングレット状態への量子相転移を明らかにする。●【素粒子や原子核分野への波及効果】D01班の連携研究者に素粒子・原子核との融合研究を推進できる山本・木村（慶應）の強力なメンバーが加わった。トポロジカル系の場の量子論を開拓し、カイラリティに起因する輸送現象にも研究を展開する。
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[Journal Article] Gravitating BPS Skyrmions2015
Author(s)
Sven Bjarke Gudnason, Muneto Nitta, Nobuyuki Sawado
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Journal Title
JHEP
Volume: 1512
Pages: 013-1-27
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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