対称性と相関によって生じる多様な量子秩序相の研究

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H02922
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 佐藤 昌利 京都大学, 基礎物理学研究所, 教授 (30313117)
• 研究分担者: 小林 伸吾 名古屋大学, 工学研究科, 特任助教 (40779675)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 物性物理

研究実績の概要

本年度は、時間反転なトポロジカル超伝導体におけるマヨラナ励起の磁場応答の一般論を構築した。素粒子論で議論されるマヨラナ粒子とは異なり、超伝導体表面に現れるマヨラナ励起は結晶対称性からの制約を受けており、異方的磁場応答を実現する。我々は一般的な磁気点群を考慮し、磁気多極子の観点からマヨラナ励起の磁場応答を分類した。その結果、ギャップ関数の表現と磁気応答の表現の一致を見つけるとともに，磁気双極子応答や磁気八極子応答が出現することを明らかにした。さらには、磁気八極子応答はハーフホイスラー合金のような髙スピンを持つトポロジカル超伝導体で実現されることも明らかにした。またJ=3/2の電子からな るトポロジカル物質を起源とする超伝導体のトポロジカルな性質を調べ，通常の電子によるトポロジカル超伝導体とは異なり，高次の巻きつき数をもつトポロジカル超伝導体となることを明らかにした．また，実験家に協力して，鉄系超伝導体におけるトポロジカル超伝導体の理論を構築した．さらには，昨年度の手法を通してアンチペロブスカイト型ディラック電子系における磁気円二色性の性質を明らかにし，光吸収係数・フォトルミネッセンスの解析を行った．また，前年度に発展させたトポロジカル結晶絶縁体・超伝導体の理論的枠組みを発展させ，Atiyah-Hizebruchの完全系列とよばれるホモロジーの手法を用いて系統的にトポロジカル結晶絶縁体・超伝導体の分類が可能であることを示した．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

結晶対称性からの制約によりトポロジカル超伝導体上のマヨラナ励起が素粒子論で議論されるマヨラナ粒子と本質的に異なった振る舞いを示すことを明らかにすることに成功し，またトポロジカル結晶絶縁体の分類にも進展があった．

今後の研究の推進方策

対称性の枠組みを拡げ，非エルミートハミルトニアンなど従来見落とされてきていた系の量子秩序相の研究も進める．

研究成果

• [国際共同研究] ベングリオン大学(イスラエル)
  • 国名: イスラエル
  • 外国機関名: ベングリオン大学
• [国際共同研究] Chinese Academy of Science(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Chinese Academy of Science
• [国際共同研究] ヴュルツブルク大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ヴュルツブルク大学
• [雑誌論文] Multiple topological states in iron-based superconductors (2019)
  • 著者名/発表者名: P. Zhang, Z. Wang, X. Wu, K.Yaji, Y. Ishida, Y. Kohama, G. Dai, Y. Sun, C. Bareille, K. Kuroda, T. Kondo, K. Okazaki, K. Kindo, X. Wang, C. Jin, J. Hu, R. Thomale, K. Sumida, S. Wu, K. Miyamoto, T. Okuda, H. Ding, G. D. Gu, T. Tamegai, T. Kawakami, M. Sato, S. Shin
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 15 ページ: 41-47
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-018-0280-z
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Axion Instability and Nonlinear Electromagnetic Effect (2019)
  • 著者名/発表者名: Tatsushi Imaeda, Yuki Kawaguchi, Yukio Tanaka, Masatoshi Sato
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 ページ: 024402-1-10
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSJ.88.024402
  • 査読あり
• [雑誌論文] Symmetry conditions of a nodal superconductor for generating robust flat-band Andreev bound states at its dirty surface (2018)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ikegaya, Shingo Kobayashi, Yasuhiro Asano
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 ページ: 174501-1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.174501
  • 査読あり
• [雑誌論文] Symmetry-protected line nodes and Majorana flat bands in nodal crystalline superconductors (2018)
  • 著者名/発表者名: Shingo Kobayashi, Shuntaro Sumita, Youichi Yanase, Masatoshi Sato
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 97 ページ: 180504-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.97.180504
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological Crystalline Materials of J=3/2 Electrons: Antiperovskites, Dirac Points, and High Winding Topological Superconductivity (2018)
  • 著者名/発表者名: Takuto Kawakami, Tetsuya Okamura, Shingo Kobayashi, Masatoshi Sato
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 8 ページ: 041026-1-23
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.8.041026
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Topological classification under nonmagnetic and magnetic point group symmetry: Application of real-space Atiyah-Hirzebruch spectral sequence to higher-order topology (2018)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Okuma, Masatoshi Sato, Ken Shiozaki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 ページ: 085127-1-17
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.99.085127
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-orbit coupling and topological states in an F=3/2 cold Fermi gas (2018)
  • 著者名/発表者名: Igor Kuzmenko, Tetyana Kuzmenko, Yshai Avishai, Masatoshi Sato
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 98 ページ: 165139-1-12
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.98.165139
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Optical circular dichroism in an antiperovskite Dirac semimetal (2019)
  • 著者名/発表者名: 田口勝久, 川上拓人, 佐藤昌利
  • 学会等名: America Physical Society March Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] ymmetry-protected line node and Majorana flat bands in nodal crystalline superconductors (2019)
  • 著者名/発表者名: Shingo Kobayashi, Sumita Sumita, Youichi Yanase, and Masatoshi Sato
  • 学会等名: American Physical Society March Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] トポロジーに保護された超伝導ギャップノード (2019)
  • 著者名/発表者名: 小林伸吾
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会シンポジウム講演
  • 招待講演
• [学会発表] Non-Hermitian Topological Phases (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐藤昌利
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会シンポジウム講演
  • 招待講演
• [学会発表] High Spin Topological Superconductivity (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐藤昌利
  • 学会等名: 第4回TMS領域研究会(TMS2019)
  • 招待講演
• [学会発表] Topological Superconductivity in Topologicla Materials (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Sato
  • 学会等名: Plasma 2019 Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 結晶対称性とトポロジー (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐藤昌利
  • 学会等名: KEK連携コロキウム・研究会エディション「量子多体系の素核・物性クロスオーバー」
  • 招待講演
• [学会発表] Multiple Topological Superconductivity in Iron-based Superconductors (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Sato
  • 学会等名: Majorana workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] アンチペロブスカイト系ディラック半金属の光応答 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田口勝久, 川上拓人, 佐藤昌利
  • 学会等名: 2018年秋季大会, 日本物理学会
• [学会発表] Topologically stable gapless phases in semimetals and superconductors (2018)
  • 著者名/発表者名: Shingo Kobayashi
  • 学会等名: Workshop: Mathematical approach for topological physics (I)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ヘリカルマヨラナ準粒子における多極子理論 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林伸吾、山影相、田仲由喜夫、佐藤昌利
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [学会発表] Non-Hermitian Topological Phases (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐藤昌利
  • 学会等名: 物質のトポロジカル相の理論的探究
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum Response of Majorana Fermions in Topological Crystalline Superconductors (2018)
  • 著者名/発表者名: M.Sato
  • 学会等名: Workshop on Recent Developments in Chiral Matter and Topology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological Crystalline Materials of J=3/2 Electrons (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Sato
  • 学会等名: The Kavli-APW-Tsinghua-Riken workshop on "highlights of condensed matter physics"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological Superconductivity in Topological Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Sato
  • 学会等名: Korea Physical Society Fall Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Majorana fermions in topological crystalline superconductors (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Sato
  • 学会等名: The 2nd TMS-PKU Alliance Workshop on Topological Materials and Quantum Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] トポロジカル物質入門 (2018)
  • 著者名/発表者名: 佐藤昌利
  • 学会等名: 第46回北陸信越地区 素粒子論グループ 合宿研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Majorana fermions in topological crystalline superconductors (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Sato
  • 学会等名: Erice Workshop 2018 "Majorana Fermions and Topological Materials Science"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological Crystalline Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Sato
  • 学会等名: International Workshop in New Paradigms in Quantum Matter
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Toplogical Crystalline Materials (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Sato
  • 学会等名: International Workshop on Symmetry and Topology in condensed-matter physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Non-Hermitian Topologicla Phases (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Sato
  • 学会等名: NON-HERMITIAN PHYSICS -PHHQP XVIII
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological Crystalline Materials of J=3/2 Electrons: Antiperovskite, Dirac points, and High Winding Topological Superconductivity (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Sato
  • 学会等名: RCQM Spring Workshop "Topological superconductors: Materials, topological order, and quenched disorder"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological crystalline materials (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Sato
  • 学会等名: Workshop: Mathematical approach for topological physics (I)
  • 国際学会 / 招待講演