2022 Fiscal Year Annual Research Report
Microscopic mechanism of multiple superconducting phases and Weyl phenomena in the heavy fermion system UTe2
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21H01039
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
藤本 聡 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (10263063)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水島 健 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (50379707)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 超伝導 / トポロジカル物質 / マヨラナ粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該年度は、スピン3重項重い電子系超伝導体UTe2における最近のdHvA効果実験によるフェルミ面観測の結果に基づいて、トポロジカル結晶超伝導状態の実現可能性に関する研究を行なった。dHvA効果の測定によると、この系が筒状の擬２次元的なフェルミ面を持つことが示唆されており、これは３次元超伝導体としてはトポロジカルに自明になることを意味している。しかし、このようなフェルミ面であっても、結晶対称性によって保護されたトポロジカル不変量が存在し、それに由来する表面マヨラナ状態が出現する可能性がある。本研究では、この点を明らかにするため、まず、UTe2の結晶対称性で守られたトポロジカル不変量の構築を行い、この系の有効モデルを用いて、トポロジカル不変量の計算と対応する表面状態の計算を、点群で許されるすべてのクーパー対対称性に対して、網羅的に行った。その結果、すべてのクーパー対対称性に対して、非自明なトポロジカル不変量が存在し、それらに由来する表面マヨラナ状態が出現することが明らかになった。特にこの系の結晶構造が持つ、鏡映対称性と２回回転対称性が重要な役割をしており、それによって保護されたトポロジカル超伝導状態であることが明らかになった。本成果を論文にまとめ、Physical Review B誌に公表した（2023年4月時点で掲載決定）。
さらにまた、この系では磁場中において非ユニタリーなクーパー対状態に由来するワイル超伝導が実現している可能性も議論されている。我々はワイル超伝導状態を特徴づける異常熱ホール効果について、この系に対するモデル計算を用いた研究を行い、クーパー対対称性の違いによって、異常熱ホール効果に特徴的な違いが生ずることが分かった。この成果についてはJournal of the Physical Society of Japan誌に公表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本課題では、昨年度に 2022年度に発表された東北大学・青木グループ等のdHvA効果の測定に基づいて、トポロジカル結晶超伝導の実現可能性に関する研究を行い、論文を公表することができたが、これ自体、当初の構想にはなかった成果である。最新の実験結果に呼応する形で、即座に新理論を展開し、本研究テーマについて重要な進歩をもたらすことができた。近年、UTe2の研究は国内外で急速に進んでおり、2022年度においても、新しい重要な知見が実験研究から得られている。我々のグループはこれらの最新データに基づいて、迅速にアクティブに新しい理論を展開することができており、この点で、当初の計画以上に進展していると言える。
さらに、また、実験で観測されている圧力下、および磁場下で出現する多重超伝導相の起源とそれらの超伝導相のトポロジカル物性を解明する研究にもすでに着手しており、有効モデルに基づいた、スピン揺らぎ機構による超伝導転移温度の計算も行なっている。すでに予備的結果を得ており、常圧状態ではスピン3重項Au状態が安定化されるのに対して、加圧状態では、スピン3重項B1u状態か、またはスピン１重項Bg状態が安定化することが分かった。さらにこの系に特徴的なイジング的磁気異方性が、これらの超伝導相を実現する上で極めて重要な役割をしていることが、明らかになりつつある。今後は、この計算を精密化して、多重超伝導相の解明を目指す。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究成果を踏まえ、今後は、圧力下、および磁場下における多重超伝導相の起源の解明と、それらの超伝導相におけるトポロジカル物性を明らかにする研究を推進していく。まず、スピン揺らぎ機構に基づく超伝導状態の計算を進める。圧力印加や磁場印加によってスピン揺らぎの性質がいかに影響を受けて、変容していくかを調べ、その効果を取り入れた超伝導状態の計算を行う。特にスピン揺らぎのイジング的磁気異方性の効果に着目したモデル計算を進めていく。
さらにこの研究で同定された超伝導相のトポロジカル物性を明らかにするため、表面マヨラナ状態を磁気的に検出する新しい方法を理論的に構築することを目指す。特に結晶対称性で守られた表面マヨラナ状態の場合には、磁場印加等で関係する結晶対称性を破ることによって表面マヨラナ状態を制御することができると期待される。このアイデアに基づいて、表面マヨラナ状態由来の磁気応答を理論的に調べ、それを実験的に検出する方法を提案する。
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