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Topological states of matter induced by spatially-modulated fields

研究課題

研究課題/領域番号 20K14375
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分13010:数理物理および物性基礎関連
研究機関東京大学

研究代表者

Marra Pasquale  東京大学, 大学院数理科学研究科, 特任研究員 (20799861)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
2022年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2020年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
キーワードtopological matter / Majorana modes / Hofstadter model / quantum computation / quasiperiodic systems / low dimensional systems / superconductors / トポロジカル量子現象 / トポロジカル超伝導 / 準周期性 / 物質中のマヨラナ粒子 / 超対称性 / ナノワイヤ / 光格子中の冷却原子気体 / Thoulessポンプ / topological states / quasiperiodic structures / majorana fermions / ultracold atomic gases
研究開始時の研究の概要

Topological states of matter are of great interest for their fundamental theoretical aspects and applications in quantum computation, and can lead to a great advance in human society and in physics.

研究実績の概要

In the last fiscal year, my research resulted in 1 publication and 2 papers submitted, currently under review.
The main scientific results are: 1) We established a scaling law for the lowest energy state in systems composed of arrays of several Majorana modes. This result is relevant for the realization of scalable quantum computers. 2) We proposed a novel platform for realizing Majorana modes in 2D topological superconductors with inhomogeneous order parameters. This may open new avenues for realizing Majorana-based quantum computers. 3) We derived an exact formula to parametrize the energy spectrum of the Hofstadter model. This result can be applied both to quasiperiodic systems in cold atomic gases trapped in optical lattices, and spatially periodic 2D systems in strong magnetic fields.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

The research outcome was more than originally planned:
1) Our work describing a new platform to realize Majorana modes in 2D topological superconductors with inhomogeneous order parameters was not originally planned. This platform, where Majorana modes localize at the ond of topologically nontrivial stripes, may be a versatile and realistic implementation of the Sachdev-Ye-Kitaev model (which can be regarded as a toy model to study the chaotic behavior of black holes). This model was not considered in the original research plan. 2) Our work on the Hofstadter model also has implications for the Toda lattice model studied in high-energy physics. This connection was not expected in the original research plan.

今後の研究の推進方策

In the near future, I am planning to:
1) Generalize our novel platform to realize Majorana in 2D topological superconductors with inhomogeneous order parameters to similar systems with inhomogeneous fields.
2) Develop a framework to describe the adiabatic braiding of Majorana modes in these systems.
3) Study in more detail the connection between the Hofstadter model and the Toda lattice model.

報告書

(4件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (35件)

すべて 2024 2023 2022 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 8件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (24件) (うち国際学会 14件、 招待講演 4件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Braiding with Majorana Lattices: Groundstate Degeneracy and Supersymmetry2023

    • 著者名/発表者名
      Marra Pasquale、Inotani Daisuke、Nitta Muneto
    • 雑誌名

      JPS Conf. Proc.

      巻: 38 ページ: 011183-011183

    • DOI

      10.7566/jpscp.38.011183

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Braiding with Majorana lattices: Groundstate degeneracy and supersymmetry2023

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Daisuke Inotani, Muneto Nitta
    • 雑誌名

      JPS Conference Proceedings

      巻: -

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Majorana nanowires for topological quantum computation2022

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 132 号: 23 ページ: 231101-231101

    • DOI

      10.1063/5.0102999

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 1D Majorana Goldstinos and partial supersymmetry breaking in quantum wires2022

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Daisuke Inotani, Muneto Nitta
    • 雑誌名

      Communications Physics

      巻: 5 号: 1 ページ: 149-149

    • DOI

      10.1038/s42005-022-00920-4

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Dispersive 1D Majorana modes with emergent supersymmetry in 1D proximitized superconductors via spatially-modulated potentials and magnetic fields2022

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Daisuke Inotani, Muneto Nitta
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 105 号: 21 ページ: 214525-214525

    • DOI

      10.1103/physrevb.105.214525

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Majorana/Andreev crossover and the fate of the topological phase transition in inhomogeneous nanowires2022

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Angela Nigro
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Condensed Matter

      巻: 34 号: 12 ページ: 124001-124001

    • DOI

      10.1088/1361-648x/ac44d2

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Competition and interplay between topology and quasi-periodic disorder in Thouless pumping of ultracold atoms2021

    • 著者名/発表者名
      Shuta Nakajima, Nobuyuki Takei, Keita Sakuma, Yoshihito Kuno, Pasquale Marra and Yoshiro Takahashi
    • 雑誌名

      Nature Physics

      巻: 17 号: 7 ページ: 844-849

    • DOI

      10.1038/s41567-021-01229-9

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書 2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Topologically quantized current in quasiperiodic Thouless pumps2020

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Muneto Nitta
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 2 号: 4 ページ: 042035-042035

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.2.042035

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Majorana modes in striped two-dimensional inhomogeneous topological superconductors2024

    • 著者名/発表者名
      Marra, Inotani, Mizushima, Nitta
    • 学会等名
      JPS Spring Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Majorana modes in striped two-dimensional inhomogeneous topological superconductors2024

    • 著者名/発表者名
      Marra, Inotani, Mizushima, Nitta
    • 学会等名
      APS March Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Majorana modes in striped two-dimensional inhomogeneous topological superconductors2024

    • 著者名/発表者名
      Marra, Inotani, Mizushima, Nitta
    • 学会等名
      The 2nd young researchers’ workshop of the Extreme Universe Collaboration, Shirahamaso, Shiga, Japan
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Controlling Majorana modes via inhomogeneous superconductivity in topological superconductors2023

    • 著者名/発表者名
      Marra, Inotani, Mizushima, Nitta
    • 学会等名
      YIPQS workshop Quantum Information, Quantum Matter and Quantum Gravity
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Controlling Majorana modes via Fulde-Ferrell-Larkin- Ovchinnikov phases in topological superconductors and superfluids2023

    • 著者名/発表者名
      Marra, Inotani, Mizushima, Nitta
    • 学会等名
      JPS Autumn meeting
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Controlling Majorana modes via inhomogeneous superconductivity in topological superconductors and superfluids2023

    • 著者名/発表者名
      Marra, Inotani, Mizushima, Nitta
    • 学会等名
      CMD30 and FISMAT (joint conference), Milan, Italy
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topological superconductivity and Majorana modes in the presence of inhomogeneous fields2023

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra
    • 学会等名
      Seminars of the Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems, Dresden, Germany
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Majorana modes for topological quantum computation2023

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra
    • 学会等名
      Seminars at the University of Salerno, Italy
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Unifying the theoretical description of Andreev, Majorana, quasi-Majorana bound states2023

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Angela Nigro
    • 学会等名
      DPG Spring Meeting, Dresden, Germany
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Controlling Majorana modes via Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov phases in topological superconductors and superfluids2023

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Daisuke Inotani, Takeshi Mizushima, Muneto Nitta
    • 学会等名
      DPG Spring Meeting, Dresden, Germany
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Towards a unifying description of Andreev, Majorana, quasi-Majorana, and Shockley states2023

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Angela Nigro
    • 学会等名
      APS March Meeting, USA
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Controlling Majorana modes via Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov phases in topological superconductors and superfluids2023

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Daisuke Inotani, Takeshi Mizushima, Muneto Nitta
    • 学会等名
      JPS Spring meeting
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Partial supersymmetry breaking and Majorana modes in quantum nanowires,2022

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra
    • 学会等名
      workshop Inhomogeneous superconductivity and superfluidity, Tokyo Institute of Technology
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Partial supersymmetry breaking and dispersive Majorana modes in quantum nanowires2022

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Daisuke Inotani, Muneto Nitta
    • 学会等名
      YIPQS Novel Quantum States in Condensed Matter workshop (NQS2022), Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 1D Majorana Goldstinos and partial supersymmetry breaking in quantum wires: From Majorana pumps to braiding2022

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Daisuke Inotani, Muneto Nitta
    • 学会等名
      International Conference on Ultralow Temperature Physics (ULT), Otaru
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 1D Majorana Goldstinos and partial supersymmetry breaking in quantum wires2022

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Daisuke Inotani, Muneto Nitta
    • 学会等名
      29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29), Sapporo
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Extended quantum-mechanical supersymmetry in Majorana nanowires2022

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Daisuke Inotani, Muneto Nitta
    • 学会等名
      APS March Meeting 2022, Chicago, USA
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Crossover between Majorana and Andreev bound states in Majorana nanowires, and the fate of the topological phase transition2022

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Angela Nigro
    • 学会等名
      APS March Meeting 2022, Chicago, USA
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topologically nontrivial phases induced by inhomogeneous fields in one-dimension2021

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra
    • 学会等名
      YITP workshop “Theoretical studies of topological phases of matter”, Kyoto
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Topologically nontrivial Andreev bound states, 1D Majorana fermions, and supersymmetry in quantum wires2021

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra, Daisuke Inotani, Muneto Nitta
    • 学会等名
      CMD29 online series, “Bound states in hybrid superconductor nanostructures”
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topological superconductors with periodically modulated magnetic fields: Andreev vs Majorana bound states, and emergent supersymmetry2021

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra
    • 学会等名
      APS March Meeting (USA)
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topologically quantized current in quasiperiodic Thouless pumps2021

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra
    • 学会等名
      APS March Meeting (USA)
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topologically nontrivial Andreev bound states2020

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra
    • 学会等名
      CMD2020GEFES, Madrid (Spain)
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topologically quantized current in quasiperiodic Thouless pumps2020

    • 著者名/発表者名
      Pasquale Marra
    • 学会等名
      Localisation2020, Sapporo
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [備考]

    • URL

      https://www.ms.u-tokyo.ac.jp/~pmarra/

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [備考] Personal page (Japanese)

    • URL

      https://www.ms.u-tokyo.ac.jp/~pmarra/#ja

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [備考] Personal page (English)

    • URL

      https://www.ms.u-tokyo.ac.jp/~pmarra/#en

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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