2017 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、s波超伝導体NbNにおいて超伝導擬スピン共鳴が誘起する三次高調波の偏光角度依存性の解析とヒッグスモード・電荷密度ゆらぎの寄与の比較、およびd波超伝導体に対する超伝導擬スピンのダイナミクスの解析を行った。
s波超伝導体において強い強度のテラヘルツ光を照射すると、ある条件下で超伝導擬スピンがスピン共鳴を起こし巨大な三次高調波が発生するという現象が我々の以前の研究で報告されていた。その起源としてヒッグスモードおよび電荷密度ゆらぎが考えられていた。その両者を区別するために誘起された三次高調波の偏光角度依存性の解析を行った。その結果、NbN超伝導体に対して、ヒッグスモード由来だとすると三次高調波に偏光角度依存性がなく、電荷密度ゆらぎ由来だとすると三次高調波に明確な角度依存性がなくてはならないことがわかった。実際にテラヘルツ光を用いた実験と比較したところ、実験で観測されている三次高調波は大部分がヒッグスモード由来であることが結論された。
d波超伝導体に対する超伝導擬スピンの解析では、テラヘルツポンプ・光プローブ分光測定に着目し、ポンプ光が照射されている最中に見られるコヒーレントな振動成分を平均場近似をもとに計算した。ポンプ光の照射中は、ポンプ光の電場波形の2乗に追随するような信号が観測されるが、やはり偏光角度依存性を見るとその起源を判別することができる。結晶の対称性をもとに分類したところ、A1g成分がd波のヒッグスモード、B1g成分が電荷密度ゆらぎから主に来ていることがわかった。銅酸化物超伝導体Bi2212を用いた実験の結果と比較したところ、低ドープ領域でヒッグスモード由来の振動成分が顕著に見られることがわかった。これらの結果から、d波のヒッグスモードの痕跡が初めて実験的に観測されたことになる。
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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
当初予定していた銅酸化物高温超伝導体などの非従来型超伝導体における超伝導擬スピンのダイナミクスの解析を進めることができた。理論解析だけに止まらず実験グループとの共同研究も順調に進み、テラヘルツポンプ・光プローブ分光測定によってd波のヒッグスモードを初めて実験的に観測することに成功した。得られた信号の中のうち振動成分がヒッグスモード由来であることを判別するのに、本研究の理論解析が欠かせなかった。現段階では理論解析は平均場近似を基づくものであるが、銅酸化物高温超伝導体では電子間に働く強いクーロン相互作用の効果が重要だと考えられ、平均場近似を超えて電子相関効果を解析に取り込むことが課題である。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段階である。
また、フォノンを光によって共鳴的に振動させたときに超伝導秩序がどのように増幅されるか、または壊されるかについても解析を行っている。フォノンの共鳴励起によって電子間に働くフォノン媒介の引力相互作用が増幅され、超伝導が光誘起されるのではないかと期待されていた。非平衡動的平均場理論を用いた解析では、有効引力相互作用は確かに増幅されるが、超伝導秩序の増幅にはつながらないという結果が得られた。これはフォノンが光から得たエネルギーが電子に急速に移動し電子の有効温度が上昇してしまったためと考えられる。通常、超伝導ギャップよりもフォノンの振動数の方が大きいため、エネルギー移動を防ぐことは難しい。光誘起超伝導に結びつく結果は得られなかったが、フラレン超伝導体における光誘起超伝導の実験は特に注目されており、擬スピンの動的制御によって超伝導を安定化させる研究を進める上でも課題が明確になった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の進め方としては、s波超伝導体NbNの擬スピンダイナミクスの解析の際に仮定していたクーパー対の対称性(軌道A1gペアリング)が妥当であるか検討を進める。第一原理計算と組み合わせて電子格子相互作用の大きさを評価し、どのようなペアリング相互作用が優勢であるかを調べる。また、NbN超伝導体以外にも、多軌道超伝導体であるMgB2についても超伝導擬スピンの解析を進める。多層系超伝導体において層間でジョセフソン結合している状態で、超伝導擬スピンの歳差運動をいかにして同期させることができるかを平均場近似をもとに解析する。
超伝導擬スピンにおけるベリー位相の効果も引き続き研究を進める。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。
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| Causes of Carryover |
(理由)
当初予定していたアメリカ物理学会について、研究をまとめるのが間に合わなかったため参加できなかった。そのため本年度の旅費の支出が抑えられた。
(使用計画)
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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