2021 Fiscal Year Annual Research Report
新奇トポロジカル超伝導体におけるメゾスコピック伝導の研究
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21J00041
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
池谷 聡 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | トポロジカル超伝導体 / 超伝導接合系 / 輸送現象 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和3年度の研究では、マヨラナ角状態をもつ高次トポロジカル超伝導体に関する研究をまずは行った。具体的には、マヨラナ角状態の数や現れる位置が、試料の形状にどのように影響を受けるのか格子グリーン関数法を用いた数値計算によって明らかにした。また、金属と高次トポロジカル超伝導体の接合系における輸送現象を研究し、マヨラナ角状態の位置の変化をトンネル・コンダクタンスから観測する方法を理論提案した。令和4年度には本研究を発展させて、多端子系におけるマヨラナ角状態を介した非局所輸送現象の研究を行う予定である。
また、令和3年度の研究では、トポロジカル・ジョセフソン接合系に関する研究も行った。具体的には、これまで研究がなされてきた”2次元” トポロジカル・ジョセフソン接合系を拡張し、多重縮退したマヨラナ状態が発現するする”3次元” トポロジカル・ジョセフソン接合系の理論模型を提案した。また、この系における低エネルギー励起に着目した有効模型を構築し、多重縮退したマヨラナ状態が現れる物理的な起源を明らかにした。
さらに、主要な研究課題から派生した2つの研究にも取り組んだ。1つ目の派生研究では、銅酸化物高温超伝導体と永久スピン旋回状態をもつ半導体とのハイブリッド系において、元来、スピン3重項超伝導体しか示さないと考えられていた異常近接効果が生じることを明らかにした。不純物に頑強な多重縮退したマヨラナ状態を実現する上で、永久スピン旋回状態をもつ半導体の性質を利用するという発想は、前述したトポロジカル・ジョセフソン接合系の研究に応用されている。また、2つ目の派生研究では、ルテネイト超伝導体のペアポテンシャル対称性を決定するための実験を理論提案した。具体的には、ルテネイト超伝導/金属接合系において、接合角度を変化させながらトンネル・コンダクタンス測定を行うことを提案した。
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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
高次トポロジカル超伝導体におけるマヨラナ角状態の数や位置と試料形状の関係性を明らかにするとともに、基本的な電気伝導特性（単一リード線を微分コンダクタンス）の数値計算を完了した。また、マヨラナ角状態の位置を印加磁場によって制御できるような高次トポロジカル超伝導体の模型を理論提案できた。
当初は、これに続いて複数のリード線を高次トポロジカル超伝導体に接合した系における非局所輸送現象の研究に着手する予定であったが、トポロジカル・ジョセフソン接合系の研究分野における急速な発展を受けて、３年目（令和５年度）に研究を予定していたトポロジカル・ジョセフソン接合系の研究を前倒しして進めた。その結果、多重縮退したマヨラナ状態が現れる３次元トポロジカル・ジョセフソン接合系の模型を理論提案することができた。この系では、実効的なpx波超伝導状態が実現しており、異常近接効果を示すことが期待される。また、この研究の過程で、銅酸化物高温超伝導体と永久スピン旋回状態をもつ半導体とのハイブリッド系における異常近接効果に関する派生研究を行った。
以上の研究成果は計3篇の論文にまとめられ、欧文誌にて発表されている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度(令和4年度)の研究では、複数のリードを接合した高次トポロジカル超伝導体における非局所輸送現象を主に研究する。まずは、基本的なトポロジカル超伝導体の接合系における電流ゆらぎ・熱伝導を調べ、高次トポロジカル超伝導体を含む多端子接合系の研究に必要な知見・計算手法を習得する。これを応用し、高次トポロジカル超伝導体に特有のメゾスコピック現象を理論的に探索する。また本年度には、非平衡系の解析に応用可能なケルデッシュ形式の格子グリーン関数法の構築に向けて、基礎的な知見を習得する
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