2019 Fiscal Year Research-status Report
Theoretical study of vortex states to clarify the mechanism of superconductors having significant spin-orbit coupling
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17K05542
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
市岡 優典 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (90304295)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 物性理論 / 超伝導 / 計算物理 / 強相関電子系 / 低温物性 / 磁束・渦糸状態 / スピン軌道相互作用 / 磁場中物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、非従来型超伝導やスピン軌道相互作用に関係した超伝導機構を解明するため、第一原理電子状態計算より得られた情報も利用し、磁場中の渦糸状態の空間構造や物性を定量的に正しく計算する手法を開発している。これまで、第一原理電子状態計算の情報をもとに多軌道系電子状態のモデルを構成し、スピン軌道相互作用を導入して、クーパー対を形成する擬スピンの基底でフェルミ面上の軌道角運動量とスピン角運動量の情報を得る手法の開発した。そして、その擬スピンの基底におけるクーパー対としてスピン一重項超伝導の場合やスピン三重項超伝導の場合での磁場中物性について理論研究を進めている。超伝導体Sr2RuO4に注目した研究では、超伝導臨界磁場の評価に加え、臨界温度以下の温度での超伝導状態におけるスピンや軌道の分極などを評価する研究に取り組んでいる。
磁場方位が様々な場合での渦糸状態の物性の研究も進めている。磁場方向をc軸から傾けた場合の渦糸電子状態の理論計算では、表面近くでの渦糸線の曲がり方の理論評価が可能なことを示し、走査型トンネル顕微鏡(STM)で観測される渦糸像の磁場角度依存性を解明するなど、渦糸がある場合の表面での理論計算手法を、ほぼ確立することができた。渦糸状態での非磁性不純物散乱効果の理論評価の研究では、d波超伝導体において面内で磁場を回転させた場合での低温比熱の振動現象における不純物散乱効果の評価や、２回対称性を持つ超伝導ギャップの場合の不純物散乱効果の研究を行った。後者の２回対称性を持つ超伝導の研究では、異方的s波とスピン三重項p波の超伝導対称性の場合を比較して、渦糸周りの超伝導秩序変数や局所電子状態の空間構造を比べることにより、渦糸状態における不純物散乱効果と超伝導対称性の関係を明らかにした。
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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
本研究の研究基盤として、第一原理電子状態計算の結果から多軌道系電子状態のモデルを構成し、スピン軌道相互作用を導入して、クーパー対を形成する擬スピンの基底でフェルミ面上の軌道角運動量とスピン角運動量の情報を得る。そして、その特徴が、超伝導状態の磁場下の物性にどのように反映しているか理論的に明らかにする研究を進めている。Sr2RuO4を対象とした、超伝導臨界磁場の常磁性対破壊効果による抑制効果の研究においては、結晶のc方向の電子の飛び移りによる軌道自由度の混成の効果とスピン軌道相互作用の両方が働く場合には、dベクトルがc軸方向の場合においてab方向の磁場下でも常磁性対破壊効果による超伝導の抑制が起こり得ることを明らかにした。この成果は、スピン一重項超伝導の場合の理論計算と合わせてまとめ、論文掲載した。
Eilenberger理論による渦糸格子状態の空間構造と物性の数値計算では、磁場方向をc軸から傾けた場合の表面での渦糸電子状態の変化についての理論計算の成果は国際会議で発表した。また、渦糸状態での不純物散乱効果に関する研究では、磁場方向をab面内で回転させた場合の低温比熱の振動における不純物散乱効果の理論計算、異方的s波とスピン三重項p波の超伝導対称性の場合を比較して２回対称性を持つ超伝導での渦糸周りの超伝導秩序変数や局所電子状態の空間構造の理論計算は、それぞれ、成果をまとめて論文掲載している。さらには、これらの数値計算に、多軌道電子系の特徴やスピン軌道相互作用の寄与を考慮できるよう計算手法の開発を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで開発してきた理論研究の手法と計算結果の実績をもとに、これまで得ている数値計算の結果を整理して新現象や法則を見つけ出して研究成果としてまとめあげ、成果発表へと進める。また、これまで開発してきた理論計算手法の集大成として、多軌道電子系の特徴やスピン軌道相互作用の寄与を考慮した形で、様々な磁場方位や超伝導対称性での渦糸状態の理論計算の研究へ展開していく。
Sr2RuO4を対象とした、常磁性対破壊効果による超伝導抑制効果の研究に関しては、これまではカイラルp波超伝導の対称性が確定的と考えられてきたが、最近の実験からカイラルd波超伝導の可能性が注目されている。そこで、これまでのカイラルp波超伝導での磁場下の物性に関する研究を、カイラルd波の場合に展開していくことを計画している。また、この理論評価手法をスピン軌道相互作用が重要と考えられる他の非従来型超伝導体、特に、反対称スピン軌道相互作用を持つトポロジカル超伝導の系へと研究を展開していく。そこで、磁場方向をab面内で回転させた場合における常磁性対破壊効果による超伝導の抑制など、磁場方位による渦糸状態の物性の変化を解明する理論研究への展開も進めていく。この他、２回対称な超伝導対称性の系に対する、走査型トンネル顕微鏡(STM)で観測された渦糸まわりの局所電子状態のスペクトルに関しての実験結果を理論面から分析し、マヨラナ状態的とされるスペクトルの起源の解明にも取り組む予定である。
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| Causes of Carryover |
（理由）３月の日本物理学会において予定していた成果発表がコロナウイルス感染予防のため現地開催が中止となり、共同研究者の大学院生の旅費を含め、予定していた出張旅費の支出分が支出できず、次年度に使用することとなってしまった。
（使用計画）次年度において、日本物理学会の秋季大会や研究会で研究成果発表を行うための出張旅費として使用する計画である。
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