2013 Fiscal Year Annual Research Report
トポロジカル凝縮相における量子交差相関現象
Publicly Offered Research
| Project Area | Topological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries |
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| Project/Area Number |
25103703
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
野村 健太郎 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (00455776)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | トポロジカル絶縁体 / トポロジカル超伝導体 / 量子交差相関応答 |
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| Research Abstract |
トポロジカル絶縁体およびトポロジカル超伝導体における量子交差相関の微視的理論を構築し、関連する諸現象の予測・解明を行った。通常の絶縁体では、例えば磁場を印加すると磁化が発生するが、近年、電場による磁化の発生、あるいは磁場による電気分極の発生といった交差相関現象が注目を集めている。トポロジカル絶縁体では電気的・磁気的自由度が「量子化」現象として交差結合し、トポロジカル不変量と関係づけられる。
トポロジカル状態においては、電磁応答の他に、顕著な量子交差相関応答として、温度勾配などの熱的摂動と角運動量などの力学的回転の間の交差相関の可能性を検証した。このような熱的応答は直感的には、エッジ近傍に熱的に発生したエネルギー流が系の周りを循環することによって生成される軌道角運動量の効果として理解できる。その微視的一般理論を構成した。
電子相関が重要な役割を持つ反強磁性状態における電磁応答の解析を行った。スピン軌道相互作用のある電子系では、ハーフフィルドの半金属状態においても特異な電磁交差相関応答が存在する。微視的な電子ハミルトニアンから出発し、低エネルギーにおける有効ハミルトニアンを導出し、これがディラック模型となることを明らかにした。さらにフェルミオン場を汎関数積分する事で電磁応答を記述する作用積分を導いた。これによると反強磁性相においてアクシオン電磁理論が適用できる事がわかった。
トポロジカル絶縁体における電子間クーロン相互作用の効果を、格子ゲージ理論で定式化された強結合展開を用いて解析した。長距離クーロン相互作用が大きい極限でもトポロジカル絶縁体相は安定に存在する事を明らかにした。
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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
本年度の目標は、トポロジカル超伝導体の熱伝導特性を明らかにすることであった。特にトポロジカル超伝導体の表面状態はマヨラナフェルミオンによって記述される事が知られており、マヨラナフェルミオンの熱伝導率を微視的模型に基づき計算した。時間反転対称性を有する系では、乱れの起源として、超伝導秩序変数の空間的乱れがある。この描像に基づきマヨラナフェルミオンの速度を空間的に変調する模型を導いて、さらに熱伝導率を自己無道着法によって計算した。時間反転対称性が破れた場合には、表面のマヨラナフェルミオンは有限のギャップ有する。このときホール熱伝導度を計算し、表面における異常量子熱ホール効果が実現しうる事を理論的に明らかにした。またこの量子化熱ホール伝導率は、バルクのトポロジカル不変量と一致することを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は量子交差相関応答の理論を、ワイル半金属などのギャップレス系へ拡張する。また量子交差相関応答に関する乱れと相互作用の効果を調べる。乱れたトポロジカル超伝導体の有効理論を、場の理論的アプローチと数値シュミレーションの両方から研究する。数値シュミレーションでは、転送行列法とリカーシブグリーン関数法を用いて、熱伝導率や状態密度の解析を行う。
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[Journal Article] Zeeman-type spin splitting controlled by an electric field2013
Author(s)
H. Yuan, M. S. Baharamy, K. Morimoto, S. Wu, K. Nomura, B.-J. Yang, H. Shimotani, R. Suzuki, M. Toh, C. Kloc, X. Xu R. Arita, N. Nagaosa, Y, Iwasa H. Yuan, M. S. Baharamy, K. Morimoto, S. Wu, K. Nomura, B.-J. Yang, H. Shimotani, R. Suzuki, M. Toh, C. Kloc, X. Xu R. Arita, N. Nagaosa, Y, Iwasa
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Journal Title
Nature Physics
Volume: 9
Pages: 563 569
DOI
Peer Reviewed
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