2014 Fiscal Year Research-status Report
電場誘起表面超伝導の局所電子状態解明と物性評価の理論研究
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25400373
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
市岡 優典 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (90304295)
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2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 物性理論 / 表面・界面物性 / 低温物性 / 超伝導材料・素子 / 量子閉じ込め |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電場誘起表面超伝導はバルクの超伝導とは異なる特性を持つ。このことを具体的に明らかにするとともに、表面超伝導の物性の定量的理論評価を可能とするため、この系の局所電子状態と超伝導特性について微視的理論計算手法の開発を行い、その理論的解明に取組んだ。計算手法としてはBogoliubov-de Gennes(BdG)方程式を数値的に解くことにより、表面付近に束縛された電荷分布や超伝導秩序変数の局所的な空間構造を決め、局所電子状態密度を計算することにより超伝導ギャップ構造の空間変化などを評価する計算を進めている。電場誘起表面超伝導の特徴としては，表面からの深さの関数として電子状態の分布が変化することであり、超伝導状態の深さ方向の空間変化の評価が重要となる。また、表面での量子閉じ込めの効果により、サブバンド依存の多ギャップ超伝導が実現することも重要である。課題は、これらの特徴を実験的に確認する方法を見つけ出すことであるが、今年度は、磁場を面に平行にかけた場合を想定し、磁場による超伝導対破壊効果を通してこの特徴を評価する研究を進めた。
磁場の効果については、まず、ベクトルポテンシャルを導入してBdG方程式を解く手法を開発し、磁場を遮蔽しようとする電流による反磁性対破壊効果を評価した。さらに、この系では、ゼーマン効果に起因する常磁性対破壊効果も重要であると考えられていることから、BdG方程式でゼーマン効果を考慮した場合の計算も進め、常磁性効果による超伝導抑制の様子について理論計算した。さらには、反磁性対破壊と常磁性対破壊の両方を考慮した場合の計算へと発展させている。これにより、印加磁場の大きさにより、超伝導の深さ方向の超伝導電子状態の空間変化やサブバンド依存性がどのように変化するか明らかにした。また、第一原理計算で得られる多軌道電子状態を考慮した計算手法の開発についても検討を進めている。
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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
本研究における計算手法の開発としては順調に進んでいる。本年度は、Bogoliubov-de Gennes方程式を数値的に解くことにより、表面付近に束縛された電荷分布や超伝導秩序変数の局所的な空間構造を決定し、局所電子状態密度を計算する計算手法において、面に平行な磁場の寄与を考慮して反磁性対破壊効果と常磁性対破壊効果を評価する計算方法を完成させた。また、数値計算用のコンピューターを導入し第一原理計算ソフトウエア(Wien2k)により、多軌道の電子状態の特徴を第一原理計算で計算できる体制も整えた。
今年度は、磁場効果についての数値計算を中心に進めたが、特にベクトルポテンシャルを考慮した計算ではそれぞれの計算の計算時間が長くかかり、一通りの計算データを集めるために時間がかかった。それでも、反磁性対破壊効果のみと常磁性対破壊効果のみの数値計算は一通りの計算を終えることができ、現在は両者を統合した計算を進めている。成果発表については、反磁性対破壊効果に関して、日本物理学会等で成果発表を行なった。現在は、反磁性と常磁性の両方の対破壊効果を考慮した計算結果も含め、発表論文としてまとめる作業を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究で進めた電場誘起表面超伝導の磁場依存性の理論計算について、反磁性対破壊効果と常磁性対破壊効果の両方を考慮した場合の残りの計算を進め、磁場効果により超伝導の深さ方向の空間構造やサブバンド構造がどのように超伝導の特性に反映するかの考察を行なう。これにより、超伝導が破壊される臨界磁場の相転移の次数(一次転移か二次転移か)や、局所電子状態の超伝導ギャップ構造の深さ依存性が磁場で閉じていく様子の磁場依存性の解明、サブバンド毎の超伝導ギャップが磁場により破壊される様子の磁場依存性の解明などを通して、電場誘起表面超伝導の磁場下の物性の様子やその機構を明らかにする。そして、磁場下の物性において、超伝導の深さ依存性やサブバンド依存性が反映した物性現象の特定などについて考察を進める。そして、これらの成果を取りまとめ、物理学会等での発表や学術雑誌への掲載など、成果発表も積極的に進めて行きたい。さらには、ゲート電圧を変えて、表面に誘起される電荷量や閉じ込め深さを変えた場合について、電場誘起表面超伝導の磁場依存性の変化についても考察を行なう。そして、実験における磁場効果の結果について理論計算の結果と比較をすることにより、その機構について検討を行なう。
また、第一原理計算で得られる多軌道電子状態の情報を反映させた計算手法の開発についても実現に向け進めていく。その中で、電場による表面での量子閉じ込め効果やスピン軌道相互作用を考慮することが重要であり、その結果として可能な超伝導対称性やスピン1重項超伝導と３重項超伝導の混成についての考察を行なう。さらに、超伝導のサブバンド依存性や深さ方向の依存性における多軌道効果の寄与を検討できる数値計算手法の開発を行なう。これにより、結晶の方位依存性やゲート電圧依存性、磁場依存性など、検討を行なう予定である。
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| Causes of Carryover |
今年度は、数値計算用コンピューターの購入を主に行なった。その後の残額については、コンピューターをもう1台購入するためには十分でなく、研究の効率的な進め方を検討した結果、数値計算と結果データの分析作業の補助作業のため、パートタイムの非常勤研究員を雇用しようとした。しかし、年度内に適任者が見つからず開始できなかったため、次年度使用額として使用することになってしまった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
上記の理由欄で記載した、数値計算と結果データの分析作業の補助作業のための、パートタイムの非常勤研究員の雇用を4月から始めることができるため、その雇用費の一部として次年度使用額を使用する計画である。
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