空間反転対称性の破れた超伝導体の渦糸状態におけるトポロジカル量子現象

• 研究領域: 対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象
• 研究課題/領域番号: 23103505
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 横山 毅人 東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (30578216)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2013-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2012年度)
• 配分額: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2012年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2011年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: トポロジカル絶縁体 / トポロジカル超伝導体

研究実績の概要

近年発見されたトポロジカル絶縁体は従来知られているバンド絶縁体とトポロジカルな意味で異なる状態として注目を集めている。その特徴は時間反転対称性を破らない摂動に対してロバストな表面状態の存在であり、表面の電子は低エネルギーでDirac方程式に従うことが知られている。
我々は、トポロジカル絶縁体に強磁性体を接合した系において、磁化が歳差運動をする場合に表面に生成される電流を調べた。歳差運動の軸が表面内にある場合、磁化の運動によって直流電流が生成されることがわかった。この整流効果はパリティ異常に起因しており、トポロジカルに保護されていることも明らかにした。
また、近年トポロジカル絶縁体を介したジョセフソン効果の実験が行われているが、我々はトポロジカル絶縁体表面におけるジョセフソン効果と近接効果を汎関数積分法を用いて調べた。接合界面が乱れた接合を考え、超伝導領域はディラック電子ではなくシュレディンガー方程式に従う電子によりモデル化した。ジョセフソン電流の解析的な表式を与え、その特性とトポロジカル絶縁体表面に誘起される超伝導の対称性を明らかにした。特に表面に奇周波数トリプレット超伝導が誘起されることを示した。また、この系に強磁性体を接合したときのジョセフソン効果も調べた。最近の実験との整合性も明らかにした。
さらに、不純物に起因するスピン軌道相互作用の大きさが空間的に変化している場合のスピン流の吸収問題を調べた。電場あるいはスピン蓄積によるスピン流が存在している系を考え、スピン軌道相互作用の空間勾配に起因するスピン流の存在を明らかにした。これを応用し、異なるスピン軌道相互作用の大きさを持つ金属接合の界面におけるスピン流の吸収を議論し、実験との関連性も議論した。

現在までの達成度 (段落)

24年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

24年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Spin-current absorption by inhomogeneous spin-orbit coupling (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Tsutsui, K. Hosono, and T. Yokoyama
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 86 号: 15 ページ: 155210-155210
  • DOI: 10.1103/physrevb.86.155210
  • 査読あり
• [雑誌論文] Josephson and proximity effects on the surface of a topological insulator (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Yokoyama
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 86 号: 7
  • DOI: 10.1103/physrevb.86.075410
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological charge pumping effect by the magnetization dynamics on the surface of three-dimensional topological insulators (2012)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki T.Ueda, Akihito Takeuchi, Gen Tatara, Takehito Yokoyama
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: VOL.85 号: 11
  • DOI: 10.1103/physrevb.85.115110
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anomalous Meissner Effect in a Normal-Metal-Superconductor Junction with a Spin-Active Interface (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Yokoyama, Y. Tanaka and N. Nagaosa
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 106 号: 24 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1103/physrevlett.106.246601
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current-induced magnetization reversal on the surface of a topological insulator (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yokoyama
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 84 号: 11
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.113407
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topology of Andreev bound states with flat dispersion (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Sato, Y.Tanaka, K.Yada, T.Yokoyama
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 83 号: 22
  • DOI: 10.1103/physrevb.83.224511
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of spin polarization in p-In0.96Mn0.04As using Andreev reflection spectroscopy including inverse proximity effect (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Akazaki, T.Yokoyama, Y.Tanaka, H.Munekata, H.Takayanagi
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 83 号: 15
  • DOI: 10.1103/physrevb.83.155212
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge pumping due to triplet vector chirality in ferromagnet/triplet superconductor junctions (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yokoyama
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 84 号: 13
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.132504
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Current in Generic Hybrid Structures due to Interfacial Spin-Orbit Scattering (2011)
  • 著者名/発表者名: J.Linder, T.Yokoyama
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett 巻: 106 号: 23
  • DOI: 10.1103/physrevlett.106.237201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transport properties in ferromagnetic Josephson junctions between triplet superconductors (2011)
  • 著者名/発表者名: Y Rahnavard, G Rashedi, T Yokoyama
  • 雑誌名: J.Phys. : Condens.Matter 巻: 23 号: 27 ページ: 275702-275702
  • DOI: 10.1088/0953-8984/23/27/275702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electromagnetic spin polarization on the surface of topological insulator (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Misawa, T.Yokoyama, S.Murakami
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 84 号: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.165407
  • 査読あり
• [学会発表] スピン活性な界面を持つ金属/超伝導体接合における異常なマイスナー効果 (2013)
  • 著者名/発表者名: 横山毅人
  • 学会等名: 日本物理学会 第68回年次大会
  • 発表場所: 広島大学(広島県)
  • 年月日: 2013-03-26
• [学会発表] Spintronics with topological insulators and triplet superconductors (2012)
  • 著者名/発表者名: 横山毅人
  • 学会等名: IAS Asia Pacific Workshop on Condensed Matter Physics
  • 発表場所: The Hong Kong University of Science and Technology(Hong Kong)
  • 年月日: 2012-12-14
  • 招待講演
• [学会発表] トポロジカル絶縁体表面におけるジョセフソン効果と近接効果 (2012)
  • 著者名/発表者名: 横山毅人
  • 学会等名: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • 発表場所: 横浜国立大(神奈川県)
  • 年月日: 2012-09-20
• [学会発表] トポロジカル絶縁体表面における磁気的熱輸送 (2012)
  • 著者名/発表者名: 横山毅人
  • 学会等名: 日本物理学会 2012年秋季大会
  • 発表場所: 横浜国立大(神奈川県)
  • 年月日: 2012-09-20
• [学会発表] Spintronics using topological insulators and triplet superconductors (2012)
  • 著者名/発表者名: 横山毅人
  • 学会等名: The 8th International Workshop on Nanomagnetism and Superconductivity
  • 発表場所: Coma-ruga(Spain)
  • 年月日: 2012-07-01
  • 招待講演
• [学会発表] 強磁性体/超伝導体接合における奇周波数ペア (2011)
  • 著者名/発表者名: 横山毅人
  • 学会等名: 文部科学省科学研究費補助金新学術領域研究「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」第2回領域研究会(平成23年度)
  • 発表場所: 岡山大学(岡山)
  • 年月日: 2011-12-17
• [学会発表] Odd frequency superconductivity in symmetry breaking systems (2011)
  • 著者名/発表者名: 横山毅人
  • 学会等名: International Workshop for Young Researchers on Topological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries
  • 発表場所: ラフォーレ琵琶湖(滋賀)(招待講演)
  • 年月日: 2011-11-03
• [学会発表] 強磁性体/超伝導体接合における近接効果 (2011)
  • 著者名/発表者名: 横山毅人
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山大学(富山)
  • 年月日: 2011-09-22
• [学会発表] 強磁性体/超伝導体接合における近接効果の理論 (2011)
  • 著者名/発表者名: 横山毅人
  • 学会等名: 文科省新学術領域「トポロジカル量子現象」第7回集中連携研究会「奇周波数クーパー対」
  • 発表場所: 名古屋大学(名古屋)
  • 年月日: 2011-09-08
• [図書] Spin Current (2012)
  • 著者名/発表者名: S. Murakami
  • 総ページ数: 464
  • 出版者: Oxford University Press
• [備考]
  • URL: http://www.stat.phys.titech.ac.jp/~yokoyama/papers.html