現代的多極子理論による高次多極子・ネマティック相とエキゾチック超伝導の研究

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: 量子液晶の物性科学
• 研究課題/領域番号: 20H05159
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 柳瀬 陽一 京都大学, 理学研究科, 教授 (70332575)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: ネマティック秩序 / 電気四極子モーメント / 圧電効果 / 超伝導 / 多極子揺らぎ / 超伝導ダイオード効果 / アナポール秩序 / 非線形光学応答

研究実績の概要

結晶中の電気四極子モーメントを量子力学的に定義するという基本的かつ難解な問題に対する理論研究を行った。局所熱力学を用いてゲージ不変な量子力学公式を得ることに成功した。この理論と第一原理計算を組み合わせて鉄系超伝導体のネマティック相を特徴づける電気四極子モーメントを評価した。その結果から、鉄系超伝導体では量子幾何的な効果が主要な寄与をしていることを見出した。
申請者が過去に行った研究において電流がネマティック秩序を誘起する現象（磁気圧電効果）が予言され、最近の実験によって実証されている。本研究課題ではこの理論を超伝導に拡張し、超伝導体の圧電効果を定式化した。
超伝導の発現機構として、従来型の電子格子相互作用に加えてスピン揺らぎや電荷・軌道揺らぎによるメカニズムが精力的に研究されてきた。本研究課題では、高次多極子揺らぎおよび高次ネマティック揺らぎを波数空間で定式化し、それによる超伝導発現機構を解明した。その結果により、結晶と多極子の対称性により超伝導対称性が決定されることが示された。
電流をある方向に流した際には電気抵抗がゼロ（すなわち超伝導）であり、逆方向に流した際には抵抗が有限（すなわち常伝導）となる現象が２０２０年に発見され、注目を集めている。現在この現象は超伝導ダイオード効果と呼ばれている。本研究課題では超伝導ダイオード効果の内因的メカニズムを解明した。さらに、超伝導ダイオード効果がヘリカル超伝導相のプローブとして有用であることを示した。
実験グループと協力して、Sr2IrO4におけるPT対称かつ回転対称性が破れたアナポール秩序を解明した。また、アナポール秩序状態における非線形光学応答を定式化し、アナポール秩序変数を詳細に決定する方法を提案した。

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

当初の計画通り、電気四極子モーメントの量子力学的定式化と第一原理的な評価に成功した。
また、超伝導圧電効果や超伝導ダイオード効果など新現象の発見があり、超伝導体の新機能性解明という点で当初の計画を超える進展があった。

今後の研究の推進方策

今後は、鉄系超伝導体や超伝導人工超格子などの詳細な特徴を取り入れ、より精密な理論の構築を行う。

研究成果

• [国際共同研究] 北欧理論物理学研究所(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: 北欧理論物理学研究所
• [国際共同研究] カルフォルニア州立大学バークレー校(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: カルフォルニア州立大学バークレー校
• [国際共同研究] スイス連邦工科大学チューリッヒ校(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: スイス連邦工科大学チューリッヒ校
• [国際共同研究] フランス原子力庁(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: フランス原子力庁
• [雑誌論文] Intrinsic Superconducting Diode Effect (2022)
  • 著者名/発表者名: Daido Akito、Ikeda Yuhei、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 128 ページ: 037001/1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.037001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anapole superconductivity from PT-symmetric mixed-parity interband pairing (2022)
  • 著者名/発表者名: Kanasugi Shota、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Communications Physics 巻: 5 ページ: 39/1-10
  • DOI: 10.1038/s42005-022-00804-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Superconducting piezoelectric effect (2022)
  • 著者名/発表者名: Chazono Michiya、Watanabe Hikaru、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 024509/1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.024509
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonreciprocal optical response in parity-breaking superconductors (2022)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Hikaru、Daido Akito、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 024308/1-27
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.024308
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonreciprocal Meissner response in parity-mixed superconductors (2022)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Hikaru、Daido Akito、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: L100504/1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.L100504
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological d-wave superconductivity in two dimensions (2022)
  • 著者名/発表者名: Yanase Youichi、Daido Akito、Takasan Kazuaki、Yoshida Tsuneya
  • 雑誌名: Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 巻: 140 ページ: 115143/1-22
  • DOI: 10.1016/j.physe.2022.115143
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unconventional superconductivity in UTe2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Aoki D、Brison J-P、Flouquet J、Ishida K、Knebel G、Tokunaga Y、Yanase Y
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 34 ページ: 243002/1-41
  • DOI: 10.1088/1361-648X/ac5863
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Thermodynamic electric quadrupole moments of nematic phases from first-principles calculations (2021)
  • 著者名/発表者名: Kitamura Taisei、Ishizuka Jun、Daido Akito、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 ページ: 245114/1-13
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.245114
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological crystalline superconductivity in locally noncentrosymmetric CeRh2As2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Nogaki Kosuke、Daido Akito、Ishizuka Jun、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 ページ: L032071/1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.L032071
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic Properties under Pressure in Novel Spin-Triplet Superconductor UTe2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Li Dexin、Nakamura Ai、Honda Fuminori、Sato Yoshiki J.、Homma Yoshiya、Shimizu Yusei、Ishizuka Jun、Yanase Youichi、Knebel Georg、Flouquet Jacques、Aoki Dai
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 073703/1-5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.073703
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Photocurrent response in parity-time symmetric current-ordered states (2021)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Hikaru、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 024416/1-10
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.024416
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological gapless points in superconductors: From the viewpoint of symmetry (2021)
  • 著者名/発表者名: Sumita Shuntaro、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2022 ページ: ptab124/1-19
  • DOI: 10.1093/ptep/ptab124
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chiral Photocurrent in Parity-Violating Magnet and Enhanced Response in Topological Antiferromagnet (2021)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Hikaru、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 11 ページ: 011001/1-30
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.11.011001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Periodic Anderson model for magnetism and superconductivity in UTe2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishizuka Jun、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 ページ: 094504/1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.094504
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bond Directional Anapole Order in a Spin-Orbit Coupled Mott Insulator Sr2(Ir1-xRhx)O4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Murayama H.、Ishida K.、Kurihara R.、Ono T.、Sato Y.、Kasahara Y.、Watanabe H.、Yanase Y.、Cao G.、Mizukami Y.、Shibauchi T.、Matsuda Y.、Kasahara S.
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 11 ページ: 011021/1-11
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.11.011021
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multiple odd-parity superconducting phases in bilayer transition metal dichalcogenides (2020)
  • 著者名/発表者名: Kanasugi Shota、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 094507/1-11
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.094507
  • 査読あり
• [雑誌論文] Giant surface Edelstein effect in d-wave superconductors (2020)
  • 著者名/発表者名: Ikeda Yuhei、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 214510/1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.214510
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strongly parity-mixed superconductivity in the Rashba-Hubbard model (2020)
  • 著者名/発表者名: Nogaki Kosuke、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 165114/1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.165114
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferroelectricity-induced multiorbital odd-frequency superconductivity in SrTiO3 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kanasugi Shota、Kuzmanovski Dushko、Balatsky Alexander V.、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 184506/1-12
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.184506
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Laser-induced topological s-wave superconductivity in bilayer transition metal dichalcogenides (2020)
  • 著者名/発表者名: Chono Hiroomi、Takasan Kazuaki、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 174508/1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.174508
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Thermodynamic approach to electric quadrupole moments (2020)
  • 著者名/発表者名: Daido Akito、Shitade Atsuo、Yanase Youichi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 ページ: 235149/1-12
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.102.235149
  • 査読あり
• [学会発表] 局所反転対称性のない結晶構造の超伝導 (2022)
  • 著者名/発表者名: 柳瀬陽一
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Symmetry and topology in heavy fermion superconductors (2022)
  • 著者名/発表者名: Youichi Yanase
  • 学会等名: Young investigators online workshop on unconventional superconductivity in heavy fermions
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Insulator-metal transition, topological superconductivity, and parity violation in UTe2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Youichi Yanase
  • 学会等名: MRS Spring 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Parity transition, parity violation, and topological superconductivity in heavy fermion superconductors (2021)
  • 著者名/発表者名: Youichi Yanase
  • 学会等名: Correlated Electrons Virtual International Seminars 2021 (CEVIS 2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] パリティを破る磁性体の光電流応答 (2021)
  • 著者名/発表者名: 柳瀬陽一
  • 学会等名: 日本学術振興会光電相互変換第１２５委員会 第２５３回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Topological superconductivity in two-dimensional heterostructures (2021)
  • 著者名/発表者名: Youichi Yanase
  • 学会等名: International Symposium on Creation of Advanced Photonic and Electronic Devices 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Noncentrosymmetric superconductivity in atomic-layer materials (2021)
  • 著者名/発表者名: 柳瀬陽一
  • 学会等名: SPring-8ユーザー協同体 顕微ナノ材料科学研究会 日本表面真空学会 放射光表面科学研究部会 プローブ顕微鏡研究部会 合同シンポジウム (Nanospec 2021)
  • 招待講演
• [学会発表] A Theory from First-principles on Magnetism and Superconductivity in UTe2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Youichi Yanase
  • 学会等名: APS March meeting 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] UTe2における金属絶縁体転移とバンド構造、トポロジカル超伝導 (2020)
  • 著者名/発表者名: 柳瀬陽一
  • 学会等名: 日本物理学会秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] Symmetry and topology of superconducting CeCoIn5 heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: Youichi Yanase
  • 学会等名: 20 years of the 115's: past, present, and future
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spin-orbit-coupled ferroelectric superconductivity and multiorbital effects in SrTiO3 (2020)
  • 著者名/発表者名: Youichi Yanase
  • 学会等名: Microscopics of Superconductivity in Perovskite Oxides: Challenges, Hurdles and Enigmas (MISPOCHE-2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 柳瀬陽一の研究
  • URL: http://cond.scphys.kyoto-u.ac.jp/~yanase/study.html