2016 Fiscal Year Research-status Report
トポロジカル超伝導におけるマヨラナ準粒子の検出と制御に向けた微視的理論研究
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16K17755
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
川上 拓人 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノシステム物性理論グループ, NIMS特別研究員 (00750895)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | トポロジカル超伝導 / マヨラナ束縛状態 / トポロジカル半金属 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、トポロジカルノード線半金属状態と結晶の対称性に関する研究を実施した。この系は、当初の計画である超伝導とは異なるが、トポロジーに起因する表面状態が平坦に近い分散関係を持つために大きな状態密度を持ち、より転移温度の高い超伝導を実現する可能性からも興味深い。また、近年ノード線半金属状態の検証に向けた実験が急速に進展中である現状を鑑みても、その実現に向けた理論構築は重要な課題である。さらに、多くのトポロジカル状態は極低温で超伝導化するとトポロジカル超伝導となることから、マヨラナ束縛状態の物性解明にもつながると考えられる。そこで本研究では、新奇なノード線半金属状態の実現メカニズムを研究した。そして、面心立方格子のそれぞれのサイトに３つのｐ軌道あるいはｄ軌道が実現されると、鏡映対称性によって定義されるトポロジカル不変量を持つノード線が現れること、さらにはノード線の存在は系の離散回転対称性によって保証されることを明らかにした。このメカニズムは、固体電子系やフォトニック結晶を含む多様な物理系に適用可能であり、ノード線半金属状態の実現および観測のための新たな理論的基盤となることが期待される。
また、２次元トポロジカル超伝導の量子渦マヨラナ束縛状態の研究も推進中である。現在Bi2Te3の表面状態の面内異方性の効果を取り込んだ解析を行うために、３次の高階微分を含むＢｏｇｏｌｉｕｂｏｖ－ｄｅ ｇｅｎｎｅｓ方程式の数値解析プログラムを開発中である。
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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
初年度の研究によって、トポロジカルノード線半金属状態を実現する新たなメカニズムを解明した。本成果については現在論文にまとめ、投稿中である。２次元トポロジカル超伝導の量子渦マヨラナ束縛状態の研究について、解析手法の開発に止まり、結果を得るまでに至らなかった点は反省点である。一方で、１次元トポロジカル超伝導の端に現れるマヨラナ束縛状態を検出するためにもスピンテクスチャーが重要な役割を果たすことが明らかになったため、日本物理学会をはじめとする国内外の研究会で報告した。また、これまでのトポロジカル超伝導研究の現状と展望をまとめた解説記事を出版した。
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| Strategy for Future Research Activity |
２次元トポロジカル超伝導量子渦のスピンテクスチャに対する面内異方性の影響を解析する。また、これまでに得られた１次元トポロジカル超伝導におけるマヨラナ束縛状態の干渉に関する知見に基づき、２次元トポロジカル超伝導体に量子渦が２つある場合の中間地点での干渉効果の研究を推進する。また、初年度に提案したトポロジカルノード線半金属状態の系を用いたトポロジカル超伝導の実現可能性と、その量子渦状態および表面束縛状態の研究を推進する。
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