2020 Fiscal Year Research-status Report
Topological phenomena in unconventional superconductors
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19K14612
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
小林 伸吾 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 (40779675)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 超伝導体 / マヨラナ粒子 / トポロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度は、（１）次数２の対称性と持つトポロジカル超伝導体の表面に現れるマヨラナ準粒子の磁気応答の研究、（２）トポロジカル超伝導体における新奇マヨラナ準粒子の研究を遂行した。以下、それぞれの研究成果をまとめる。
（１）マヨラナ準粒子自身は電気的に中性であるが、時間反転対称性に保護されたマヨラナ準粒子はクラマース対を形成し、磁気構造を持つ。また、物質には結晶対称性が存在する。時間反転対称性に加えて、結晶対称性がマヨラナ準粒子にさらなる制約を加え、結果として多彩な磁場応答が発現する。本研究では、次数2の対称性（例えば、鏡映、2回回転、映進など）に保護されたマヨラナ準粒子の磁気応答とバルクの電子状態との関係を調べた。その結果、磁気応答は４つのタイプに分類され、それぞれ区別可能な磁気応答を示すことを明らかにした。さらに、我々は表面磁気応答、クーパー対対称性、フェルミ面の形状に関する一般的な関係を明らかにした。本研究成果は、将来、超伝導のクーパー対対称性の探査法として役立つと期待される。
（２）近年、トポロジカル超伝導体を実現する舞台としてs波超伝導体とトポロジカル物質の接合系が注目を集めている。トポロジカル絶縁体の上にs波超伝導体を接合すると近接効果によりクーパー対が染み込み、表面においてトポロジカル超伝導を実現する。このとき、超伝導渦中にマヨラナ粒子が出現する。本研究では、この機構をより多くの物質へ適用するために、トポロジカル結晶絶縁体の場合へ拡張を行った。トポロジカル結晶絶縁体の表面には複数個のディラックコーンが存在する。我々はトポロジカル結晶絶縁体の上にs波超伝導体を接合すると結晶対称性により複数個のマヨラナ準粒子が渦中に束縛されることを証明した。本研究は近年のトポロジカル物質の進展と共にマヨラナ準粒子探索も加速させると期待される。
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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
当初の予定通り、マヨラナ準粒子の磁気応答を様々な結晶対称性の場合に拡張し、表面磁気応答、クーパー対対称性、フェルミ面に対する一般的な関係を得ることができた。また、磁気応答に関する研究と並行して、マヨラナ準粒子の出現条件に関する新しい研究を行うこともできた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度の研究では、以下の２つに焦点を当てて研究を行う予定である。
（１）マヨラナ準粒子の電磁気応答の探索
私はマヨラナ準粒子の磁気応答の探索を次数2の対称性から空間群まで広げて行いたいと考えている。また、2020年度で研究した電気応答についても結晶対称性やクーパー対対称性との関係も踏まえて理解を深化させたいと考えている。
（２）超伝導渦中の新奇マヨラナ準粒子の探索
2020年度に行った我々の研究より、結晶対称性は渦中の準粒子励起を保護する役割をする。また、近年の研究より、渦中の準粒子励起モードは端に現れるマヨラナ準粒子だけではなく、ギャップレスの励起モードも実現することが示されている。このようなギャップレスモードは渦中を流れるカレントとして観測される。この発展を念頭に、私は結晶対称性と超伝導渦の協奏により創発される新奇トポロジカル量子現象の探索を行いたいと考えている。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由：９月と３月に予定されていた日本物理学会がオンライン開催となり、旅費が不要になった。同様に、３月に予定されていたアメリカ物理学会もオンライン開催となり旅費が不要になった。また、コロナウイルス感染拡大の状況を見て、国内出張を最小限に留めた。
使用計画：昨年度と同様に、在宅勤務で研究を遂行することを前提に、図書や物品などを購入したいと考えている。また、旅費に関しては、政府や大学、研究所の判断を考慮した上で計画を立てたいと考えている。もし状況が改善されたならば、共同研究者との議論や国内外の学会参加のために旅費を計上したいと考えている。
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