2014 Fiscal Year Annual Research Report
多自由度電子系における複合フェルミオン生成とその動力学
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13J07701
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
星野 晋太郎 東京大学, 総合文化研究科, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 奇周波数超伝導 / 多軌道電子系 / フント結合 / スピン三重項超伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では質的に新しい超伝導現象の発掘およびその解明を目指し、数値解析を駆使した理論的研究を行った。特に局所的な電子相関効果から生じる超伝導に関して、以下に記述するいくつかの知見を得ることができた。
まず、Pr3+やU4+を含む化合物で実現すると考えられている２チャンネル近藤格子系について述べる。我々は既に、数値計算を駆使してこの系を解析し、奇周波数超伝導という風変わりな超伝導が実現することを明らかにした。この超伝導に対するわかりやすい平均場描像を構築することにも成功している。平成２６年度はさらにこの研究を推し進め、この超伝導状態からの集団励起モードを平均場理論によって解析し、２チャンネル近藤格子特有の分散関係が現れること明らかにした。さらに本研究は、奇周波数超伝導体と通常金属やBCS超伝導体との接合系の議論にも発展しており、このプロジェクトは現在進行中である。
また、クーロン斥力によって相互作用しあう遍歴電子系において、スピン三重項超伝導に関する新しい知見も得ることができた。通常、スピン三重項超伝導に対しては空間的に奇パリティ(p波)をもつ異方的な電子対が仮定される。一方で、電子の持つ軌道自由度を考慮するならば、等方的な(s波)スピン三重項超伝導も可能である。この機構はフント結合という異軌道電子間の強磁性的な相互作用に起因する。本研究ではどのような状況下でこのフント結合誘起超伝導が実現するのかを明らかにするため、軌道自由度と磁気異方性を考慮した遍歴電子系（多軌道ハバードモデル）を理論的に解析した。その結果、スピン三重項超伝導状態が実現することを示し、さらにこの超伝導はspin-freezing現象と呼ばれる、多軌道電子系特有の物理と密接に関係していることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究計画では奇周波数超伝導の有効理論を弱相関極限から構築することを予定していたが、これは平均場描像の構築によって既に達成されている。また、もう一つの計画である多軌道ハバードモデルにおける超伝導の探索を行った結果、当初期待していた奇周波数超伝導を見つけることができなかったものの、フント結合が誘起する新しい超伝導を見出すことができた。この超伝導相は磁気秩序相と隣接しており、かつ転移温度はドーム形状を持つため、相図は一般によく知られている非従来型超伝導体のそれと酷似している。通常はこのような相図中の超伝導は磁気的量子臨界点まわりのコヒーレントな揺らぎ（マグノン）によるクーパー対形成が考えられていたが、本研究で見出された超伝導はspin-freezing現象に伴う局所的な磁気揺らぎが重要であり、量子臨界点とは直接の関係がない。よって、本研究は超伝導の転移温度ドーム形成に対する新しい機構を提案している。このように奇周波数超伝導とは異なる研究成果を挙げることができたことから、当初の計画以上の進展があったといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
超伝導機構を理解することは、学術的な興味はもちろんのこと、より高い転移温度を持つ超伝導物質やその機能を設計する上で重要である。通常、非従来型超伝導体では異方的な電子対形成がなされると考えられており、これを議論するためには空間相関を取り込む必要がある。しかしながら、現状の理論ではこれを正確に実行することは大変難しい。一方で、局所相関を取り込むことは動的平均場理論によって精度よく扱うことが可能である。今後の研究計画では、これまで見出した局所相関による超伝導の理論をさらに発展させたいと考えている。
より具体的には、フント結合が誘起する超伝導について、より詳しく考察する。この超伝導に対してはスピン空間の異方性も重要なファクターであることが既にわかっている。これまでは簡単のために、磁気異方性を単にフント結合が一軸方向にだけ強く働くものとして考慮したが、実際には原子内スピン・軌道相互作用を通じて系に磁気異方性が導入されるはずである。そこで、はじめに多軌道ハバードモデルに局所的なスピン・軌道相互作用を考慮し、超伝導転移温度の傾向を調べる。 その後、実際にスピン三重項超伝導が実現していると考えられているSr2RuO4との対応を詳細に議論する。既に行ったモデル計算では、超伝導はSr2RuO4に対応した相互作用の大きさ、および電子数で実現していることを示した。しかし結晶構造の詳細は考慮されていないため、本研究では局所密度近似に基づく物質固有のバンド構造と動的平均場理論を組み合わせて議論する。相互作用の値についてはパラメータ空間を系統的に調べ、その傾向を把握する中から、該当物質がそのパラメータ空間のどこに存在するかを同定するというアプローチを採る。同様の手法を、重い電子系超電導に対しても適用する。
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