2021 Fiscal Year Research-status Report

Non-trivial quantum states in superconducting topological magnets

Research Project

Project/Area Number	18K03538
Research Institution	Nagoya University
Principal Investigator	矢田圭司名古屋大学, 工学研究科, 助教 (40377916)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	川口由紀名古屋大学, 工学研究科, 教授 (00456261)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2023-03-31
Keywords	トポロジカル超伝導
Outline of Annual Research Achievements	超伝導Sr2RuO4は、従来のNMRや中性子散乱の実験において転移温度以下で帯磁率が一定だということからトリプレット超伝導体であると考えられていた。しかし、近年の再実験により転移温度以下で帯磁率が減少しする振る舞いが確認された。一方、μSRやカー効果の実験からは時間反転対称性の破れが確認されていることから偶パリティのEgペアの可能性が指摘されている。中でもAgterbergらの提案した異軌道間ペアによるs波超伝導が有力な候補となっている。一方でこのような異軌道間ペアに対して帯磁率がどのようになるのかということについてはこれまでに具体的な計算がなかった。そこで超伝導Sr2RuO4の多軌道模型を用いて帯磁率の計算を行った。先述の異軌道間s波超伝導状態においては、秩序変数に波数依存性がないにも関わらずギャップ構造が同じEg既約表現であるkz(kx+iky)波と同様の線ノード構造が現れる。ただし、これは正確には線ノードではなく体積のあるボゴリューボフフェルミ面である。この時、バンド対角な基底においては擬スピン状態がシングレット状態となり、転移温度以下での帯磁率の減少が見られた。この点においては実験と矛盾はない。一方で、その表面状態を見ると(001)面においてゼロエネルギーにピーク構造が出現する。こちらはV字型の構造を示す実験とは一致しない振る舞いとなっているが、不純物やラシュバスピン軌道相互作用などの効果でゼロエネルギーのピーク構造がどのように変化するのか、今後明らかにする必要がある。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 超伝導Sr2RuO4は、時間反転対称性の破れた超伝導状態であり、またそのトポロジカルな性質が古くから議論されており、磁性とトポロジカル超伝導の関係を調べる上で重要な課題の一つである。そのような系において、NMRの実験で以前の結果が覆され、その超伝導対称性についての理論を改めて構築する必要があった。その中で、異軌道間のペアに関する理論提案が行われたが、このような異軌道間ペアに関してはこれまでに十分な研究は行われておらず、その基本的性質に関して未知の部分があった。その中で、申請者らは異軌道間ペアに関してバルクの基本的な物理量である帯磁率の計算を行い、その振る舞いが擬スピン状態によって分類が可能であることを明らかにした。このように、時間反転対称性の破れた異軌道間ペアに関しての基本的な性質を明らかにしたという点において本研究計画の課題が着実に進行しているといえる。
Strategy for Future Research Activity	異軌道間ペアに関して、帯磁率は既に論文になっているが、その表面状態に関しては現在論文を執筆中である。帯磁率は実験結果と定性的に同じ振る舞いを示すのに対して、表面状態を介したコンダクタンスはゼロバイアスボルテージ近傍の振る舞いが実験と定性的に異なる性質を示す。理論においてはゼロエネルギー近傍にアンドレーエフ束縛状態が出現し、それによってコンダクタンスにピークが現れる。一方で実験においてはV字型のギャップ構造が出現する。このような振る舞いの違いが現れる原因として次の二つの可能性が考えられる。1. 現在考えている異軌道間ペアとは異なる状態が実現している　2. 異軌道間ペアが実現しているものの、その表面状態が外因的な要因(不純物や表面ラシュバスピン軌道相互作用など)によって抑制されている。　これらの二つのどちらに原因があるのかを明らかにし、Sr2RuO4において真に実現している超伝導対称性を明らかにすることが今後の課題である。そこで本年度は、既にこれまでに計算を行った異軌道間ペアの表面状態が不純物や表面ラシュバスピン軌道相互作用に対してどのような応答を示すのかを明らかにする。
Causes of Carryover	交付決定後にコロナ禍となり、旅費などに使う予定であった予算が大幅に減った。その中で、研究の方法についてもこれまでとな異なる形での実施となり、そこでの予算が生じた。