2016 Fiscal Year Research-status Report
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16K17729
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
辻 直人 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (90647752)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 光物性 / 超伝導 / 非平衡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、超伝導擬スピンのダイナミクス、特に多軌道系(本質的にジョセフソン結合した多層系と等価)の超伝導相に光を照射したときの量子ダイナミクスの平均場解析、および超伝導擬スピンとフォノンの相互作用を平均場近似を超えて扱えるように非平衡動的平均場理論の拡張を行った。
多軌道系は一軌道系と異なり、それぞれの軌道ごとに擬スピンおよび秩序パラメーターが存在し、異なる軌道間でも擬スピンがジョセフソン結合型の相互作用をする点が特徴である。そのため集団励起モードとして振幅モード(ヒッグスモード)、位相モード(南部ゴールドストーンモード)以外に、軌道間で超伝導ギャップの位相が逆向きに振動するレゲットモードと呼ばれる集団励起モードが存在する。BCS近似に基づいて多軌道系の超伝導擬スピンのモデルを構築し、光照射によって擬スピンがどのように動的に制御できるか調べた。その結果、非線形光学効果を介してレゲットモードを光によって共鳴的に励起できることがわかった。特に三次高調波発生にレゲットモードの寄与が共鳴ピークとして現れる。これらの結果はジョセフソン結合した多層系の超伝導体における擬スピンダイナミクスに応用することができる。
並行して、平均場近似を超えて超伝導体の非線形光学応答を扱うために非平衡動的平均場理論を拡張した新たな解析手法を開発した。通常、非線形光学応答係数を計算するためにはベーテ・サルペーター方程式を解く必要があったり、解析接続を行う必要があるという困難がある。それを回避するために「微分された動的平均場理論」という枠組みを提案した。これを強く電子格子相互作用する系に応用し、ヒッグスモードと光の間の非線形相互作用が格子振動を媒介とした遅延相互作用によって大きく増幅されることを示した。
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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
当初予定していた、多層系の超伝導体における擬スピンダイナミクスの解析は、2層系に限定すれば2軌道超伝導体の平均場モデルに帰着するので、解析は完了している。異なる軌道間で擬スピン同士がジョセフソン結合しているときに、レゲットモードを光によって共鳴的に励起することができることを示した。このことは光の非線形効果を使って超伝導擬スピンのxy成分を動的に制御する可能性を広げるものである。2層系の超伝導体の解析は、銅酸化物超伝導体を念頭に3層以上の多層系へ拡張していく足がかりとなる。超伝導擬スピンに対するベリー位相の効果は、本年度はまだ解析を進めている途中である。
超伝導体の量子ダイナミクスを解析する平均場近似を超えた手法の開発も、非平衡動的平均場理論をもとに非線形光学応答関数を計算する枠組み(「微分された動的平均場理論」)を構築した。これによってこれまで平均場近似では捉えることができなかった、電子格子相互作用に伴う遅延効果やそれによるヒッグスモードと光の非線形相互作用などの強相関効果を取り込むことができるようになった。当初の予定では実空間で非一様な超伝導擬スピンの構造をもつ系に適用する予定であったが、実験グループとの共同研究で窒化ニオブ超伝導体にテラヘルツ光を当てたときのヒッグスモードと光の相互作用を解析する必要が生じたために、電子格子相互作用が強い系に対する手法開発を進めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の進め方としては、2層系の超伝導体における擬スピンのダイナミクスの解析をもとに、3層以上の系に拡張する方向で進めていく。特に多層系に特有なジョセフソンプラズマモードと光の共鳴的な相互作用や、層間で超伝導擬スピンの歳差運動が同期する現象を起こせるかに注目して平均場解析を進めていく。また、超伝導擬スピンにおけるベリー位相の効果は本年度に解析が終わらなかったので、これについても研究を進める。当初の計画に従って、電子がペアで実空間をホッピングするモデルである引力型ペンソン・コルブモデルを光で駆動した時の非平衡ダイナミクスを解析する。光によってクーパー対に働くベリー位相を誘起することで、超伝導擬スピンの間にジャロシンスキー・守谷型の相互作用を発生させることができないかを追究する。
非平衡超伝導体に対して平均場近似を超えた解析手法の開発については、実空間で非一様な超伝導擬スピンのダイナミクスの代表例として、2層系(あるいは2軌道系)の強相関電子系のモデルを解析することを目指して進めていく。多層系の超伝導体としてはフラーレン化合物が光誘起超伝導を示す物質として実験的に知られている。フラーレン化合物は典型的な多軌道超伝導体であるので、それらを含めて非平衡ダイナミクスを扱うことができるようにすることを目指す。
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| Causes of Carryover |
当初予定していたアメリカ物理学会について、日本物理学会と日程が重なり日本物理学会のほうを優先したためにアメリカ物理学会には参加できなかった。そのため本年度の旅費の支出が抑えられた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度は共同研究のため、研究協力者がいるスイスのフリブール大学を訪問することを予定しており、旅費の一部として使用する計画である。
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