Microscopic mechanism of multiple superconducting phases and Weyl phenomena in the heavy fermion system UTe2

重费米子系统UTe2中多超导相和Weyl现象的微观机制

基本信息

批准号：
21H01039
负责人：
藤本聡
金额：
$ 10.73万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

当該年度は、スピン3重項重い電子系超伝導体UTe2における最近のdHvA効果実験によるフェルミ面観測の結果に基づいて、トポロジカル結晶超伝導状態の実現可能性に関する研究を行なった。dHvA効果の測定によると、この系が筒状の擬２次元的なフェルミ面を持つことが示唆されており、これは３次元超伝導体としてはトポロジカルに自明になることを意味している。しかし、このようなフェルミ面であっても、結晶対称性によって保護されたトポロジカル不変量が存在し、それに由来する表面マヨラナ状態が出現する可能性がある。本研究では、この点を明らかにするため、まず、UTe2の結晶対称性で守られたトポロジカル不変量の構築を行い、この系の有効モデルを用いて、トポロジカル不変量の計算と対応する表面状態の計算を、点群で許されるすべてのクーパー対対称性に対して、網羅的に行った。その結果、すべてのクーパー対対称性に対して、非自明なトポロジカル不変量が存在し、それらに由来する表面マヨラナ状態が出現することが明らかになった。特にこの系の結晶構造が持つ、鏡映対称性と２回回転対称性が重要な役割をしており、それによって保護されたトポロジカル超伝導状態であることが明らかになった。本成果を論文にまとめ、Physical Review B誌に公表した（2023年4月時点で掲載決定）。さらにまた、この系では磁場中において非ユニタリーなクーパー対状態に由来するワイル超伝導が実現している可能性も議論されている。我々はワイル超伝導状態を特徴づける異常熱ホール効果について、この系に対するモデル計算を用いた研究を行い、クーパー対対称性の違いによって、異常熱ホール効果に特徴的な違いが生ずることが分かった。この成果についてはJournal of the Physical Society of Japan誌に公表した。

今年，我们基于近期自旋三重态重电子超导体UTe2的dHvA效应实验的费米面观测结果，对拓扑晶体超导的可行性进行了研究。 dHvA 效应的测量表明该系统具有圆柱形准二维费米面，这意味着它在拓扑上是明显的三维超导体。然而，即使在这样的费米表面中，也存在受晶体对称性保护的拓扑不变量，并且可能出现由此衍生的表面马约拉纳态。在本研究中，为了阐明这一点，我们首先构建了受UTe2晶体对称性保护的拓扑不变量，然后利用该系统的有效模型来计算拓扑不变量和相应的表面态，我们详尽地进行了计算。对于点群中允许的所有库珀对对称性。结果表明，对于所有库珀对对称性，都存在非平凡的拓扑不变量，并且出现由它们导出的表面马约拉纳态。特别是，人们发现该系统晶体结构的反射对称性和二次旋转对称性发挥着重要作用，从而产生了受保护的拓扑超导态。结果总结在一篇论文中，并发表在《Physical Review B》上（计划于 2023 年 4 月出版）。此外，还讨论了在该系统中在磁场中实现由非酉库珀对态导出的外尔超导性的可能性。我们利用该系统的模型计算对表征外尔超导态的反常热霍尔效应进行了研究，发现库珀对对称性的差异导致反常热霍尔效应的特征差异。研究结果发表在《日本物理学会杂志》上。