2020 Fiscal Year Annual Research Report
Chiral electromagnetism and quantum anomaly in Weyl/Dirac superconductors
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19J20144
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
松下 太樹 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | Dirac電子系 / トポロジカル超伝導 / トポロジカル半金属 / Berry曲率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、Dirac電子系におけるカイラル電磁気応答に取り組み、新奇物性を解明することを目的としている。今年度はそれに関連した複数の課題に取り組み成果を上げた。以下、順に報告を行う。
(1) 昨年度から継続して、ノーダルライン半金属における動的カイラル電気応答を研究を継続し、ノーダルライン半金属におけるトポロジカルピエゾ電気効果の論文を執筆した。投稿した論文は、2020年末にPhysical Review Researchから出版された。
(2) 昨年度から実施してきたカイラル超伝導における外因性熱Hall伝導の研究を発展させた。特に、熱Hall伝導率と多重Andreev散乱との関係についての考察を進めることで、外因性熱Hall伝導が準粒子状態密度間にある関係について明らかにした。
(3) 時間反転対称性のあるトポロジカル超伝導体における熱スピン交差相関現象についての研究を実施した。解析の結果、トポロジカル超伝導に存在する(i)ヘリカルCooper対を介した準粒子散乱による外因性異常スピンネルンスト効果、(ii)ヘリカル端状態による内因性スピンネルンスト効果を解明することに成功した。前者はトポロジカル超伝導体バルク、後者は試料端で発現する現象であり、秩序変数の「ヘリカル性」を反映した物理現象である。
(4) 最近の実験研究の進展に触発され、トポロジカル超伝導におけるスピン注入についての解析を行なった。実験が行われている超伝導/金属/強磁性の接合をBdGハミルトニアンで定式化し、磁場勾配による強磁性側から超伝導側へのスピン注入を議論した。解析の結果、(i)時間反転対称性の破れたトポロジカル超伝導においては、磁場勾配による内因性スピンHall効果、(ii)時間反転対称性のあるトポロジカル超伝導においては、磁場勾配による内因性逆スピンHall効果が生じることが明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
昨年度から継続していた複数の研究課題を発展させ、その各々が完成、あるいは最終段階に入っている。特に、これまでそのトポロジカル性がどのように物理現象に現れるかよくわかっていなかった、線ノード半金属におけるトポロジカル輸送現象の解明することに成功した。この成果についての論文は、Physical Review Researchに受理され出版されている。
これら昨年度からの継続課題に加え、ルイジアナ州立大学の研究者との国際共同研究を推進することで、時間反転対称なトポロジカル超伝導体における異常スピンネルンスト効果を立証することに成功している。この効果は、時間反転対称なトポロジカル超伝導の基礎物性であり、異常スピンネルンスト効果を検出することによって超伝導秩序変数の持つ「ヘリカル性」を立証することができる。この超伝導秩序変数の持つヘリカル性を立証することは、トポロジカル超伝導性の立証にとって極めて重要である。
この国際共同研究は、申請者がルイジアナ州立大学に滞在し、現地の研究者と議論を進めることで発案され開始されたものである。ルイジアナ州立大学への滞在はアメリカ内のコロナ流行により、途中で中止を余儀なくされたが、帰国後もオンラインでのやりとりを継続することで、研究を発展させてきた。現在は研究者最終段階に入っており、論文の投稿準備中である。
これらのは計画に含まれていないものであり、よって本研究は当初の計画以上に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、これまで発展させてきたトポロジカル物質に対する「温度勾配応答」、「格子ひずみを含む幾何学変形応答」、「磁場勾配応答」をさらに発展させ、新しい物理現象を開拓する予定である。
これまで発展させてきた超伝導における幾何学変形応答を発展させ、動的歪みとトポロジカル超伝導体内の集団励起を結合とその帰結について研究する。具体的には、時間反転対称性の破れたトポロジカル超伝導における音波伝搬を検討する予定である。現在すでに、カイラル超伝導体内の音波伝搬については予備的な結果を得ており、音波伝搬がトポロジカル超伝導体特有の集団励起に重大な影響を与えることが明らかとなっている。
また、トポロジカル超伝導におけるスピンポンプについても研究する予定である。この研究については、磁性体から超伝導体にスピンをポンプに対し、トポロジカル端状態がどのように影響を与えるかに着目して研究を実施する予定である。
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