2020 Fiscal Year Research-status Report
Spin transport phenomena induced by quantum geometric structure in topological superconductors
| Project/Area Number |
20K03860
|
|---|
| Research Institution | Osaka University |
|---|
Principal Investigator |
水島 健 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (50379707)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | トポロジカル超伝導 / スピン輸送 / 準古典理論 / 熱ホール効果 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究計画初年度の研究テーマとして以下の2つを掲げていた。（１）量子幾何構造を取り込んだ準古典超伝導輸送理論の確立、および（２）トポロジカル超伝導におけるスピン輸送。まず（１）について、準古典Eilenberger理論は超伝導輸送研究で広く用いられる強力な理論であるが、この理論は量子幾何構造を取り込んでいないという重大な欠陥がある。トポロジカル超伝導体中の電子状態に発現するベリー曲率などの量子幾何構造は準古典理論への『量子補正』として取り込まれる。初年度は、量子補正を取り込んだ形式へ拡張し、準古典理論では記述することができないベリー曲率に由来した量子輸送現象を議論した。具体的には2次元カイラル超伝導体における量子熱ホール効果とヘリカル超伝導体における内因性スピンネルンスト効果を拡張準古典理論に基づき議論した。超伝導体のトポロジーや対称性に由来した量子輸送現象を明らかにし、さらに量子幾何構造に由来した超伝導輸送現象を調べるための基礎理論と数値計算スキームが確立された。加えて、(2)のテーマについても遂行した。強磁性金属とトポロジカル超伝導の接合において、強磁性金属側からのスピン蓄積によるスピン流を注入を考えた。トポロジカル超伝導界面にはトポロジーを反映したギャップレスな準粒子状態が存在する。この準粒子状態がどのようにスピン輸送を担うかの明らかにするため、簡単な2次元カイラル超伝導とヘリカル超伝導体について計算を行った。結果として、カイラル超伝導の界面ではスピン蓄積によって生じるスピン密度勾配に垂直な方向にスピン流が流れることがわかった。ヘリカル超伝導体では逆スピンホール効果によってホール電流が流れる。（１）、（２）の研究成果についてはすでに学会などで発表し、現在論文としてまとめている。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の初年度の研究計画は「量子幾何構造を取り込んだ準古典超伝導輸送理論の確立」、および「トポロジカル超伝導におけるスピン輸送」の２つであった。初年度の成果として、ベリー曲率などの量子幾何構造を取り込んだ拡張準古典理論を確立し、その数値計算スキームなどを整備した。さらに、量子熱ホール効果や内因性スピンネルンスト効果など具体的な量子輸送現象を議論した。また、後者のテーマについては、2次元カイラル超伝導やヘリカル超伝導体におけるスピン輸送現象を議論し、超伝導の対称性やトポロジーに由来した逆スピンホール効果など新奇なスピン輸送現象を明らかにした。以上のように、当初の研究計画通りに研究が遂行されている。さらに、超伝導体では、その対称性に由来して不純物による準粒子の非対称散乱（あるいはスピン非対称散乱）などが存在し得る。このような非対称不純物散乱は外因性の熱ホール効果、スピンネルンスト効果、逆スピンホール効果などをもたらす。初年度では、拡張準古典理論に基づく内因性の熱・スピン輸送に加えて、不純物由来の外因性熱・スピン輸送についても計算を行い、両者の定量的な比較を行なった。このように、当初の研究計画以上の成果が挙げられており、順調に研究が進展している。
|
| Strategy for Future Research Activity |
2年目は、初年度で確立した拡張準古典理論を用いてさまざまな超伝導輸送現象を調べていく。具体的には、（１）Weyl超伝導における熱ホール効果と零エネルギー平坦バンドを持つ表面準粒子状態とWeyl準粒子の役割について。（２）Cooper対励起による熱・スピン輸送について。近年、重い電子系超伝導UTe2などがWeyl超伝導の候補物質として注目を集めている。初年度は2次元カイラル超伝導における熱ホール効果を拡張準古典理論により調べたが、Weyl超伝導ではバルクにギャップレスなWeyl準粒子が存在し、表面には零エネルギー平坦バンドが現れるという2つの点で異なる。これらが熱・スピン輸送をどのように担うのかは明らかでない。さらに、トポロジカル超伝導やWeyl超伝導などの非従来型（スピン3重項）超伝導では、Cooper対は内部自由度を持ち、さらにその励起状態は長寿命である場合が多い。このため、Cooper対励起は内部自由度を持つボソンとして振る舞い、Bogoliubov準粒子とあわせて超伝導体中での熱・スピン輸送を担うことが期待される。しかしながら、Cooper対励起がどのように熱・スピン輸送を担うのかについて明らかになっていない。今後はボソンが媒介する輸送現象についても並行して調べていく。さらに、初年度ではヘリカル超伝導体における逆スピンホール効果などを明らかにした。強磁性金属と超伝導の界面に生じるスピン密度勾配に垂直な方向に電流やスピン流が生じる。しかしながら、スピン流は保存流ではなく、直接観測することができない。このような交差相関応答を観測するためには、スピン蓄積を計算する必要がある。バルク超伝導や界面に局在するギャップレスな準粒子状態におけるスピン拡散長や緩和時間といった基本的なスピン物性を明らかにし、トポロジカル超伝導界面での交差相関応答を検出するための具体的な方法を提案する。
|
| Causes of Carryover |
コロナ禍のためすべての出張が白紙となり、当初の予定通り旅費を使用できなかった。次年度の配分額と合わせて、より高性能のワークステーションを購入することを計画している。
|
