Spin transport phenomena induced by quantum geometric structure in topological superconductors

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K03860
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Mizushima Takeshi 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (50379707)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: トポロジカル超伝導 / スピントロニクス / 異方的超伝導 / マヨラナ準粒子

Outline of Final Research Achievements

Through this research project, we revealed thermal spin transport phenomena in topological superconductors. In particular, we demonstrated that in time-reversal-invariant topological superconductors, Bogoliubov quasiparticles experience spin-dependent asymmetric scattering at nonmagnetic impurities, reflecting the symmetry of helical Cooper pairs. Therefore, when a temperature gradient is applied, a spin current mediated by quasiparticles flows in the direction perpendicular to the temperature gradient, i.e., the spin Nernst effect. Furthermore, we revealed that in nonunitary superconducting states with broken time-reversal symmetry, the spin Seebeck effect' occurs in which spin current flows in the direction along the temperature gradient. Our findings suggest that the symmetry of Cooper pairs in topological superconductors can be directly detected by observing these thermal spin transport phenomena.

Free Research Field

物性理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究課題では得られた成果の最も重要な意義は、トポロジカル超伝導を担うクーパー対の非自明な対称性を熱スピン輸送現象を通して検出することができるということを明らかにしたことである。これまで、時間反転対称性を破った超伝導では、カイラルクーパー対が鏡映対称性を破ることで、異常熱ホール効果が現れることがわかっていた。一方で、時間反転対称性を保ったトポロジカル超伝導や非ユニタリ超伝導固有の輸送現象は知られていなかった。我々の成果によって、前者ではスピンネルンスト効果が現れ、後者の超伝導状態ではスピンゼーベック効果が現れることを明らかになった。