Topological phenomena in unconventional superconductors

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K14612
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Kobayashi Shingo 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)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 異方的超伝導 / マヨラナ準粒子 / 電磁気応答

Outline of Final Research Achievements

Unconventional superconductors are those with non-s-wave Cooper pairs. While these pairs enhance the physics of unconventional superconductors, their experimental identification poses challenges. Despite extensive effort, determining the exact symmetry of Cooper pairs remains elusive in many unconventional superconductors.
In this study, we propose a method for detecting Cooper pair symmetry through surface magnetic response. By using topological analysis, we found that unconventional superconductors possess topologically protected surface states, which display an anisotropic magnetic response. We established a direct connection between types of the magnetic responses and Cooper pair symmetry. We illustrated a distinct magnetic response in the case of j=3/2 superconductor YPtBi and nonsymmorphic superconductor UCoGe.

Free Research Field

物性理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究成果は、クーパー対の対称性が未解明であった物質において、物質表面の磁気応答を測るという新しい決定方法を与える。本手法は表面での電子状態のみが重要となるため、多軌道系などバルクで複雑な電子状態を持った系へも適用できる。例えば、YPtBiなどj=3/2スピンを持つ電子によるクーパー対の決定法はまだ確立していないが、本手法はこのような系でも威力を発揮しj=3/2スピンの効果を抽出することも可能である。また、本研究の別の視点からみるとマヨラナ粒子の制御法や操作法も確立でき、スピントロニクスや量子コンピュータへの応用にも貢献すると期待できる。