2017 Fiscal Year Research-status Report
対称性とトポロジーの協奏が織りなす新奇量子輸送現象
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16K05448
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
水島 健 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (50379707)
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2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | トポロジカル超伝導 / 輸送現象 / ワイル超伝導 / 集団励起 / 超流動3He |
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| Outline of Annual Research Achievements |
トポロジカル超伝導体・超流動体のボソン励起を調べ、動的応答への影響やトポロジカルに守られた準粒子との相互作用について明らかにした。ボソン場に対する有効ラグランジアンを微視的に導出し、制限空間中の超流動3He-Bのボソン励起スペクトル構造を明らかにした。この有効ラグランジアンの方法を用いることでバルク3He-Bのボソン励起スペクトルを定量的に再現できる。さらに、空間非一様な超流動状態におけるボソン励起スペクトルを簡単に計算することができる。この有効理論を用いることで、制限空間中の超流動3He-Bにおいて表面に局在したボソン励起が存在することを見出した。また、空間を狭くするにつれて、表面局在ボソン励起がソフト化し、その励起エネルギーが実値から準虚数値となる臨界点が存在することがわかった。このボソン励起のソフト化は3He-B相の動的不安定化を表しており、表面に沿った並進対称性を自発的に破った「ストライプ相」と呼ばれる超流動結晶状態の存在を示唆している。これらのボソン励起スペクトルの特徴は超音波吸収スペクトルで捉えることができることを示した。超流動3He-BはDIIIトポロジカル超伝導体であり、表面にヘリカル・マヨラナ粒子が存在する。今後は、これらのトポロジカル準粒子とボソン励起との相互作用などについて明らかにしていく。さらに29年度はワイル超伝導体におけるカイラル異常に起因した負の熱磁気効果などの新奇量子輸送現象の研究や、ThをドープしたUBe13に現れる多重超伝導相のトポロジカル超伝導特性について調べた。UBe13の各相がDIIIトポロジカル超伝導相、ワイル・ディラック超伝導相に対応していることがわかった。「古典的」な重い電子系超伝導物質であるUBe13が現代物理の重要なトピックであるトポロジカル量子現象の格好の研究舞台であることがわかった。
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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
空間非一様な超流動・超伝導状態に対する有効理論を構築することができた。これにより、制限空間中の超流動3Heにおける新奇なボソン励起スペクトルの存在をあきらかにした。これらの知見は、当初の研究目的であった「超伝導/超流動における対称性とトポロジーの協奏によって織りなされる新奇動的量子現象を明らかにする」ための基盤的知見となる。また、当初の研究計画では想定していなかった重い電子系超伝導物質UBe13が豊富なトポロジカル超伝導相を伴うことがわかった。これにより、研究舞台が超流動3Heから超伝導分野にまで広がった。さらには、当初はDIIIトポロジカル超伝導である3He-Bの研究を計画していたが、29年度はワイル超伝導の動的現象についても調べた。その結果、超伝導体に磁場を印加すると熱伝導率が増大することがわかった（負の熱磁気効果）。これは、超伝導の実空間トポロジカル構造とワイル準粒子が絡まり合ってもたらされる「捻れ場由来のカイラル異常効果」に起因したものであり、トポロジカル準粒子がもたらす新しい輸送現象である。このように当初の研究計画では予期していなかった新たな知見が多く得られており、概ね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
ボソン場に対する有効ラグランジアン理論により、空間非一様な超流動・超伝導状態に対するボソン励起スペクトルの全貌が明らかにされ、さらに輸送現象への影響などを（現象論的に）議論してきた。今後は、いよいよ研究計画の核心であるボソン励起とトポロジカル準粒子との相互作用を明らかにするため、ボソン場とフェルミオン場の情報を等しく取り込んだ準古典Keldyshグリーン関数の手法を用いて、空間非一様なトポロジカル超流動・超伝導状態の量子輸送現象を研究していく。まず、空間非一様な超流動状態における準古典Keldyshグリーン関数の数値計算手法を確立され、もっとも教科書的物質である超流動3He-Bに適用する。一方、ボソン場は対称性の自発的破れと関連しており、トポロジカル準粒子励起構造も系が保つ対称性と深い関係がある。そこで、両者の結合に関して強い選択則が働くと予想される。数値計算手法の開発と並行して、ボソン励起とフェルミオン励起との間の選択則について明らかにすることで、数値計算結果の解析に援用したい。
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| Causes of Carryover |
トポロジカル超伝導のボース励起に関する有効理論の構築に成功したため、当初の計画に比べて手計算による解析が進んだ。さらに研究計画を効果的に推進していくために学会参加することで情報収集に努めた。そのため当初計画では29年度に計算機を購入する予定であったが、29年度の予算は主に国内出張などの旅費に充てることとして、計算機の購入を見送った。そのため次年度使用額が生じた。30年度はさらに研究計画を効果的二遂行するために国際共同研究の体制を強化し、研究成果を発信するために国際会議などにも参加する。次年度使用額は、このための海外出張旅費として用いる。さらに研究計画を推進していくために高性能な計算機の購入を計画している。
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