時間反転対称性が破れた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気応答

时间反转对称性破缺拓扑超导体表面马约拉纳准粒子的电磁响应

• 批准号: 22KJ1565
• 负责人: 山崎 勇樹
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1565/
• 关键词: マヨラナ粒子; トポロジカル超伝導; トポロジカル不変量; 対称性; 時間反転対称性; 結晶対称性; 超伝導対称性

本研究の目的は，時間反転対称性がないトポロジカル超伝導体表面におけるマヨラナ粒子の電磁気応答を解明することである。時間反転対称性がある場合の理論は先行研究によって既に得られている。その一方でトポロジカル超伝導体候補物質の多くは時間反転対称性がない。そのため，いち早くマヨラナ粒子の検出や応用を実現するためには，時間反転対称性をもたないマヨラナ粒子に対して，その電磁気応答を明らかにすることが必須である。本研究では，トポロジカル超伝導体表面におけるマヨラナ粒子が示す電磁気応答を，超伝導体がもつ結晶対称性・超伝導対称性の観点から明らかにする。具体的には，超伝導体がもつ1次元トポロジカル不変量を結晶対称性を用いて定義し，これが有限になるための超伝導対称性に対する条件を導く。この結果を表面のマヨラナ粒子に対する有効理論と組み合わせることで，マヨラナ粒子の電磁気応答の一般理論を完成させる。本年度では，マヨラナ粒子が現れるための一般的な（任意の結晶対称性・超伝導対称性に適用可能な）条件を，磁気カイラル対称性を用いて定義できる磁気巻き付き数（1次元トポロジカル不変量）を用いることで導くことができた。また，このとき現れるマヨラナ粒子の磁気応答，すなわち，磁場に対してマヨラナ粒子がもつエネルギーの大きさが磁場の印加方向に対して非対称になることを明らかにした。さらに時間反転対称性がないトポロジカル超伝導体の例として強磁性超伝導体UCoGeを考え，一般論の適用例を示した。本研究結果は任意の時間反転対称性がない超伝導体に適用できるため，マヨラナ粒子をもつトポロジカル超伝導体探索の有用な指針となる。

本研究的目的是阐明马约拉纳粒子在不具有时间反转对称性的拓扑超导体表面上的电磁响应。具有时间反转对称性的情况的理论在先前的研究中已经获得。另一方面，许多候选拓扑超导体缺乏时间反转对称性。因此，为了快速实现马约拉纳粒子的探测和应用，必须明确不具有时间反转对称性的马约拉纳粒子的电磁响应。在这项研究中，我们从超导体的晶体对称性和超导对称性的角度阐明了马约拉纳粒子在拓扑超导体表面表现出的电磁响应。具体来说，我们将利用晶体对称性定义超导体的一维拓扑不变量，并推导超导对称性的条件，使其成为有限的。通过将这一结果与表面马约拉纳粒子的有效理论相结合，我们完成了马约拉纳粒子电磁响应的一般理论。今年，我们将讨论马约拉纳粒子出现的一般条件（适用于任何晶体对称性或超导对称性），即可以使用磁手性对称性 I 定义的磁绕组数（一维拓扑不变量）。能够通过使用得出这一点。我们还发现，此时出现的马约拉纳粒子的磁响应，即马约拉纳粒子响应磁场所具有的能量，相对于磁场施加的方向是不对称的。此外，我们将铁磁超导体 UCoGe 作为不具有时间反转对称性的拓扑超导体的示例，并提供了如何应用一般理论的示例。这项研究的结果可以应用于任何不具有时间反转对称性的超导体，因此为寻找具有马约拉纳粒子的拓扑超导体提供了有用的指导。