トポロジカル超伝導体表面におけるマヨラナ準粒子の電磁応答理論

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K03835
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 山影 相 名古屋大学, 理学研究科, 助教 (90750290)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: マヨラナ粒子 / トポロジカル超伝導 / 結晶対称性 / 超伝導対称性 / 歪

研究実績の概要

マヨラナ粒子を見つけることは物理学における基本的な問題の一つである．マヨラナ粒子は電荷中性であり，粒子と反粒子が同一という極めて高い対称性をもつ特異な状態である．そのために，実験的な検出は困難であり，現在でも検証実験が進められている．本研究が注目するのは超伝導体の表面に創出するマヨラナ粒子であり，それがもつ物理量を明らかにすることが目的である．これが分かると，どのような外場をプローブとしてマヨラナ粒子を検出・制御できるかが分かる．
本年度ではマヨラナ粒子を２つもつ超伝導体表面に着目し，それが結晶の歪に結合することを提案した．通常の金属と異なり，特定のモードの歪とのみ結合することがマヨラナ粒子の特徴である．実験的にこの振る舞いを検出できれば，それはマヨラナ粒子が存在していることを強く示唆するものである．この関係を全ての可能な結晶対称性に対して導出した．また，具体例として，逆ペロフスカイト構造において提案されている，マヨラナ粒子が２つ存在する場合のエネルギースペクトルを解析し，特定のモードの歪とのみ結合することを確認できた．
また，この特定のモードはバルクにおける超伝導対称性により決まっており，歪によるマヨラナ粒子の検出を通して，背景のクーパー対の対称性をも同定できることが明らかになった．このようなマヨラナ粒子を中間的なプローブとした方法は，異方的超伝導状態の研究における最も基本的問題である，対称性判定に対して新しい観点を提供している．

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

２対のマヨラナ粒子が示す歪への応答についての論文[Yuki Yamazaki, Shingo Kobayashi, and Ai Yamakage, Electric Multipoles of Double Majorana Kramers Pairs, arXiv:2103.14398]を投稿中である．
また，トポロジカル絶縁体の表面における磁気テクスチャに誘起されるホール効果の研究を明らかにした論文[Terufumi Yamaguchi and Ai Yamakage, Theory of Magnetic-Texture-Induced Anomalous Hall Effect on the Surface of Topological Insulators, J. Phys. Soc. Jpn. 90, 063703 (2021)]を出版した．これは本研究課題が対象としているマヨラナ粒子と，電子正孔対称性の有無という違いは有るものの，非常に密接に関係している．この研究により，トポロジカル超伝導体表面におけるマヨラナ粒子がもつ特異な磁気自由度にアクセスする方法への展望が開けた．今後の研究の展開に繋がるものである．

今後の研究の推進方策

これまでに，２対のマヨラナクラマース対が結合する歪の対称性（既約表現）を明らかにしてきた．今後は，これに基づき，歪によって誘起される２対のマヨラナクラマース対の物理量の振る舞いを定性的・定量的に明らかにする．
マヨラナ粒子は電荷中性であるから，持ちうる物理量は電荷以外のエネルギーとスピンである．歪によって熱流・スピン蓄積・スピン流が誘起される可能性がある．これを線形応答理論により定量的に評価することで，マヨラナ粒子の検出を支持するより強い証拠を確立する．２対のマヨラナクラマース対を保持しうる結晶の対称性と超伝導の対称性はこれまでの研究で全て列挙されている．これら全ての場合に対する歪応答の完全解明を目指す．

次年度使用額が生じた理由

コロナ禍のため，予定されていた旅費が全てキャンセルされたため，次年度使用額が生じた．
次年度は，コロナ禍の状況が落ち着けば，旅費として使用する予定である．また，リサーチアシスタントを雇用することも検討中である．

研究成果

• [雑誌論文] 物質中のマヨラナ粒子の磁気異方性 : 映進対称性と四極子型の磁気応答 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山崎勇樹，小林伸吾，山影相
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 56 ページ: 49-58
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic response of Majorana Kramers pairs with an order-two symmetry (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamazaki Yuki、Kobayashi Shingo、Yamakage Ai
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 ページ: 094508
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.094508
  • 査読あり
• [学会発表] トポロジカル絶縁体表面における磁化構造に起因した異常Hall効果の理論 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山口皓史, 山影相
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 超伝導体/強磁性体薄膜における強磁性共鳴変調を用いた超伝導対称性の検出に関する理論 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大湊友也, 山影相, 松尾衛
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] トポロジカル結晶超伝導体表面におけるマヨラナスピン流 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山崎勇樹, 船戸匠, 山影相
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] トポロジカル絶縁体表面におけるトポロジカルHall効果の微視的理論 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山口皓史, 山影相
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] トポロジカル結晶超伝導体におけるマヨラナ電気四極子応答 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山崎勇樹, 小林伸吾, 山影相
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会