Probing and controlling topological superconductivity under vector magnetic field and pressure

• Project/Area Number: 20F20020
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 外国
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 米澤 進吾 京都大学, 理学研究科, 准教授 (30523584)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): HU YAJIAN 京都大学, 理学研究科, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2020-09-25 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000); Fiscal Year 2022: ¥200,000 (Direct Cost: ¥200,000); Fiscal Year 2021: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2020: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 磁気光学カー効果 / カイラル超伝導 / トポロジカル超伝導 / カゴメ格子金属 / 電荷秩序 / ベクトル磁場 / Kerr effect / Topological materials / time-reversal-symmetry / charge density wave / Kagome lattice / chiral superconductivity / topological materials / time-reversal symmetry

Outline of Research at the Start

近年、超伝導波動関数が非自明なトポロジーを持つというトポロジカル超伝導の研究が進んでいる。トポロジカル超伝導は系の対称性と密接にかかわっていることがわかってきており、その更なる研究の上では、様々な対称性を制御したり、それらの対称性の自発的な破れを検出するのが重要である。本研究では、ベクトル磁場や一軸圧力を用いてそれらを制御したり、対称性の破れを検出する手法の開発を行う。さらに、その手法を様々な超伝導体に適用して、トポロジカル超伝導に起因する新規な現象を明らかにすることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、トポロジカル物質における対称性の検出と制御に着眼し、特に時間反転対称性の破れを高感度に検出できる磁気光学カー効果の測定手法の導入とそれを用いた非自明な時間反転対称性の破れの検出を目指した研究を行ってきた。ここで、ここで、時間反転対称性が破れた状態とは、「仮想的に時間を"逆回し"にしたときに元と同じ状態とならない」場合を指し、多くは磁気秩序が生じた場合に該当する。しかし、一部の興味深い物質では、磁気的な秩序でないにもかかわらず時間反転対称性を破るという非自明な現象が起こり、基礎・応用両方の観点から注目に値する。
これまでに高感度磁気光学カー効果測定手法の導入はほぼ完了し、2022年度は、カゴメ格子を持つ金属CsV3Sb5に対して行ってきた高感度磁気光学カー効果測定の研究を継続しながら、論文執筆に取り組んだ。この物質は94Kで電荷秩序、3Kで超伝導を示すが、我々は電荷秩序相において時間反転対称性が破れていることを示す結果を得た。この論文は雑誌に投稿し、プレプリントサーバーにもアップロードした（https://arxiv.org/abs/2208.08036）。その後、他のグループから異なる実験結果も報告されたため、現在は実験結果を精査し再投稿に向けて作業を進めている段階である。
ほかに、CsV3Sb5に関しては、ベクトル磁場印加装置を用い、磁場方向制御下での比熱測定を超伝導状態において行った。その結果、上部臨界磁場が非自明な6回振動と2回振動を示すことを明らかにし、これは極めて特異な超伝導秩序変数の実現を示唆している。こちらについても論文を投稿中（https://arxiv.org/abs/2303.11072）である。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] UC Irvine(米国)
• [Int'l Joint Research] Beijing Institute of Technology(中国)
• [Int'l Joint Research] 北京理工大学(中国)
• [Int'l Joint Research] カリフォルニア大学アーバイン校(米国)
• [Presentation] In-plane superconducting anisotropy in CsV3Sb5 (2023)
  • Author(s): S. Yonezawa
  • Organizer: OSS Weekly Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Field-angle-resolved calorimetry of the Kagome superconductor CsV3Sb5 (2022)
  • Author(s): Keito Obata, Kazumi Fukushima, Sotaro Yamane, Yajian Hu, Giordano Mattoni, Yugui Yao, Yongkai Li, Zhiwei Wang, Yoshiteru Maeno, Shingo Yonezawa
  • Organizer: The 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High resolution Kerr-effect study for detecting time-reversal symmetry breaking in unconventional ordered states (2022)
  • Author(s): S. Yamane, Y. Hu, G. Mattoni, Y. Li, Y. Yao, Z. Wang, J. Wang, C. Farhang, J. Xia, S. Yonezawa, Y. Maeno
  • Organizer: The 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Polar Kerr effect study on the time-reversal symmetry-breaking charge density wave in the Kagome superconductor CsV3Sb5 (2022)
  • Author(s): Yajian Hu, Soichiro Yamane, Giordano Mattoni, Keito Obata, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, Jingyuan Wang, Camron Farhang, Jing Xia, Shingo Yonezawa, Yoshiteru Maeno
  • Organizer: The 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Polar Kerr effect study on the time-reversal symmetry-breaking in the charge density wave of CsV3Sb (2022)
  • Author(s): Yajian Hu, Soichiro Yamane, Giordano Mattoni, Keito Obata, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, Jingyuan Wang, Camron Farhang, Jing Xia, Shingo Yonezawa, Yoshiteru Maeno
  • Organizer: OSS2022 "Oxide Superconducting Spintronics Workshop 2022"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Developments of magneto-optic Kerr-effect measurement techniques for detecting time-reversal symmetry breaking (2022)
  • Author(s): S. Yamane, Y. Hu, G. Mattoni, Y. Li, Y. Yao, Z. Wang, J. Wang, C. Farhang, J. Xia, S. Yonezawa, Y. Maeno
  • Organizer: OSS2022 "Oxide Superconducting Spintronics Workshop 2022"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カゴメ金属CsV3Sb5における比熱や上部臨界磁場の面内異方性 (2022)
  • Author(s): 福島和実, 小畑慶人, Yajian Hu, 山根聡一郎, Giordano Mattoni, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, 前野悦輝, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 磁気光学Kerr効果測定によるカゴメ金属CsV3Sb5の時間反転対称性の破れの検出 (2022)
  • Author(s): 山根聡一郎, Yajian Hu, 木村直博, 小畑慶人, Giordano Mattoni, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, Jingyuan Wang, Camron Farhang, Jin Xia, 前野悦輝, 米澤進吾
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Spontaneous strain measurements of quantum liquid crystals using fiber Bragg grating (2022)
  • Author(s): S. Yonezawa
  • Organizer: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] Specific heat measurement on the superconducting phase of the Kagome metal CsV3Sb5 (2022)
  • Author(s): Keito Obata, Y. Hu, S. Yamane, G. Mattoni, Y. Li, Y. Yao, Z. Wang, S. Yonezawa, Y. Maeno
  • Organizer: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] Polar Kerr effect study on the charge ordered state in Kagome superconductor CsV3Sb5 (2022)
  • Author(s): Yajian Hu, S. Yamane, G. Mattoni, Y. Li, Y. Yao, Z. Wang, J. Wang, C. Farhang, J. Xia, S. Yonezawa, Y. Maeno
  • Organizer: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] Investigation of time-reversal symmetry breaking in a superconductor by magneto-optic Kerr effect (2022)
  • Author(s): Sochiro Yamane, Y. HU, G. Mattoni, Y. Mizukami, T. shibauchi, J. Wang, C. Farhang, J. Xia, S. Yonezawa, Y. Maeno
  • Organizer: 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [Presentation] Polar Kerr effect study on the time-reversal symmetry-breaking charge ordered state in Kagome superconductor CsV3Sb5 (2022)
  • Author(s): Yajian Hu, 山根聡一郎, Giordano Mattoni, 矢田歌菜絵, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, Jingyuan Wang, Camron Farhang, Jing Xia, 米澤進吾, 前野悦輝
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] Kagome金属CsV3Sb5の超伝導相における比熱測定 (2022)
  • Author(s): 小畑慶人, Yajian Hu, 山根聡一郎, Giordano Mattoni, Yongkai Li, B, Yugui Yao, Zhiwei Wang, 米澤進吾, 前野悦輝
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] 磁気Kerr効果測定による超伝導体の時間反転対称性の破れの探索 (2022)
  • Author(s): 山根聡一郎, Yajian Hu, 小畑慶人, Giordano Mattoni, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, Jingyuan Wang, Camron Farhang, Jin Xia, 米澤進吾, 前野悦輝
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] ナノラジアン分解能を持つKerr効果測定の確立と時間反転対称性の破れの模索 (2022)
  • Author(s): Soichiro Yamane, Y. Hu, G. Mattoni, Y. Li, Y. Yao, Z. Wang, J. Wang, C. Farhang, J. Xia, S. Yonezawa, Y. Maeno
  • Organizer: 応用物理学会 量子ビームによる表面界面の光機能探究研究会
  • Invited
• [Presentation] 磁気光学Kerr効果によるSr2RuO4-Ru共晶での時間反転対称性破れの探索 (2021)
  • Author(s): 山根聡一郎, Yajian Hu, Giordano Mattoni, Jingyuan Wang, Camron Farhang, Jin Xia, 米澤進吾, 前野悦輝
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Kerr effect study on charge density wave and superconductivity of Kagome metal CsV3Sb5 (2021)
  • Author(s): Yajian Hu, Soichiro Yamane, Giordano Mattoni, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, Jingyuan Wang, Camron Farhang Jing Xia, Shingo Yonezawa, Yoshiteru Maeno
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] How to detect the time-reversal symmetry breaking in materials (2021)
  • Author(s): Sochiro Yamane, Y. HU, G. Mattoni, J. Wang, C. Farhang, J. Xia, S. Yonezawa, Y. Maeno
  • Organizer: 京都大学卓越大学院 国際セミナー道場
• [Presentation] Kerr effect study on charge density wave and superconductivity of the Kagome metal CsV3Sb5 (2021)
  • Author(s): Yajian Hu, Soichiro Yamane, Giordano Mattoni, Yongkai Li, Yugui Yao, Zhiwei Wang, Jingyuan Wang, Camron Farhang Jing Xia, Shingo Yonezawa, Yoshiteru Maeno
  • Organizer: Oxide Superspin 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of time-reversal symmetry breaking in the eutectic Sr2RuO4-Ru by magneto-optic Kerr effect (2021)
  • Author(s): Soichiro YAMANE, Y. Hu, G. Mattoni, J. Wang, C. Farhang, J. Xia, S. Yonezawa, Y. Maeno
  • Organizer: Oxide Superspin 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An All-Fiber Magneto-Optical Kerr Effect Setup towards Detection of Chiral Superconductivity (2021)
  • Author(s): Yajian Hu, Giordano Mattoni, Kanae Yada, Kiyosue Toshiki, Jingyuan Wang, Camron Farhang, Jing Xia, Shingo Yonezawa, Yoshiteru Maeno
  • Organizer: JPS 76th Annual Meeting, The Physical Society of Japan
• [Remarks] 固体量子物性研究室ホームページ
  • URL: https://ss.scphys.kyoto-u.ac.jp
• [Remarks] Google Scholar Yajian Hu
  • URL: https://scholar.google.com/citations?hl=en&user=uya3hn0AAAAJ&view_op=list_works&sortby=pubdate
• [Remarks] 固体量子物性研究室ホームページ
  • URL: https://ss.scphys.kyoto-u.ac.jp/