Research Projects -
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Theory of spin current phenomena utilizing the superconducting vortex as a real-space topological defect
Grant number：22H01941 2022.04 - 2025.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
安立 裕人, 大江 純一郎, 加藤 雄介, 市岡 優典
Grant amount：\8710000 （ Direct expense: \6700000 、 Indirect expense：\2010000 ）
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Theoretical study of vortex states and superconducting properties in multi-orbital electronic system
Grant number：21K03471 2021.04 - 2025.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C) Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
市岡 優典
Grant amount：\4160000 （ Direct expense: \3200000 、 Indirect expense：\960000 ）
鉄系超伝導体FeSe の2回対称なネマティック超伝導の渦糸状態を主な対象とし、多軌道電子系超伝導における磁場下の渦糸状態での物性を解明することを目的に、超伝導渦糸状態の空間構造と物性について定量的理論計算を実施する手法の開発を進めている。超伝導渦糸状態の空間構造と物理量の理論計算手法は、これまで独自に開発してきた渦糸格子でのEilenberger 理論計算をベースにして研究を進め、この手法の中でネマティック超伝導の特徴を考慮できるように発展させている。これまで我々の研究グループの超伝導渦糸状態についての研究の多くは、等方的フェルミ面上の異方的超伝導ギャップの場合の理論計算により進めてきたが、本研究ではフェルミ面構造やフェルミ速度が二回対称な異方性を持つ場合での渦糸状態の空間構造と物性への2回対称性の影響についての定量的評価も進めている。本研究初年度は、フェルミ面構造の異方性を異方的質量モデルの分散関係による楕円型フェルミ面でモデル化し、超伝導ギャップが二回対称な異方的な場合と、フェルミ面構造が二回対称な異方的な場合、それに両者が組み合わさった場合について、渦糸芯周りの超伝導秩序変数や電流分布、局所電子状態の空間構造を理論計算し、渦糸芯の2回対称な構造がどのように影響を受けるかの解明を進めている。また、この研究を発展させ、理論研究で用いるフェルミ面構造に関しては、鉄系超伝導体FeSe の電子状態についての10軌道tight-binding モデルから出発して得られるネマティック電子状態のホールフェルミ面を用い、超伝導異方性に関しては角度分解光電子分光実験から得られたフェルミ面上の超伝導ギャップ異方性を用いて、渦糸状態の空間構造についての理論計算を行い、走査型トンネル顕微鏡で観測された渦糸像と比較してネマティック超伝導の効果を解明する研究も進めている。
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Physics of Spin-triplet superconductivity
Grant number：19H00657 2019.04 - 2023.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A) Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
鄭 国慶, 俣野 和明, 川崎 慎司, 市岡 優典
Grant amount：\44590000 （ Direct expense: \34300000 、 Indirect expense：\10290000 ）
２０１９年度において、以下の成果を得た。
１）遷移金属Crを含む化合物A2Cr3As3（A=Na,K,Rb）において、超伝導ギャップに普遍的に点状のノード（ギャップがゼロ）が存在することを明らかにした。また、この物質群が強磁性量子臨界点付近に位置し、量子臨界点への距離はアルカリ金属Aの半径によって制御できることを発見した。Aの半径が大きいほど、A-Cr-Aのボンド角が９０度に近づき、強磁性相互作用を増大させることを指摘した。これらの結果はA2Cr3As3が超流動ヘリウムの固体版であることを示唆している。
２）トポロジカル絶縁体Bi2Se3にCuをドープする単結晶を作製し、Cu濃度が広範囲にわたる高品質な超伝導試料を得た。Se-NMRを測定した結果、Cu濃度が類似した試料において、スピン三重項超伝導を記述するdベクトルが９０度異なることがあるのを発見した。この結果は、dベクトルは局所的なひずみによってピン止めされることを示唆する。また、Cu濃度が0.4を超えると、超伝導ギャップが異方的（nematic）なものから等方的なものに変わることを発見した。これは、高ドープ域ではカイラル超伝導状態が実現している可能性が高いことを示すものである。
3）空間反転対称性の破れた超伝導体TaRh2B2を作製し、NMR測定を行った。その結果、非従来型超伝導状態が実現していること、常伝導状態では電子相関の強いことが明らかになった。
４）非磁性不純物効果と超伝導ギャップ対称性の対応関係を理論的に明らかにした。 -
Theoretical study of vortex states to clarify the mechanism of superconductors having significant spin-orbit coupling
Grant number：17K05542 2017.04 - 2021.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C) Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Ichioka Masanori
Grant amount：\4680000 （ Direct expense: \3600000 、 Indirect expense：\1080000 ）
We studied physical properties related to spin-orbit interaction in unconventional superconductors under magnetic fields, focusing Sr2RuO4, which was supposed to be a spin-triplet chiral p-wave superconductor. We evaluated paramagnetic effect of the superconductivity, considering the degree of freedom of spin and orbital on the Fermi surface from the first-principles electronic state calculations. We also elucidated the relation between the relaxation direction and the d vector orientation in the local nuclear magnetic relaxation of NMR in the vortex state of spin triplet chiral p-wave superconductivity. In the study of low temperature specific heat and local electronic state in the vortex state, physical properties under magnetic fields, such as magnetic field orientation dependence and non-magnetic impurity effect, were theoretically evaluated for some superconducting pairing symmetries.
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Grant number：25400373 2013.04 - 2017.03
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C) Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Ichioka Masanori, ONARI Seiichiro, TANAKA Kenta, NABETA Masahiro, Kogan Vladimir, Schmalian Jörg
Grant amount：\5200000 （ Direct expense: \4000000 、 Indirect expense：\1200000 ）
Spatial structures of the local superconductivity and the bound electronic state near the surface are theoretically studied based on calculations of the Bogoliubov-de Gennes equation, focusing electric-field-induced surface superconductivity. Especially, in the pair-breaking effect by magnetic fields parallel to the surface, new mechanism by the diamagnetic effect is considered in addition to the paramagnetic effect. From the results, it is clarified that contributions by the sub-band structure and multi-gap superconductivity eminently appear in the magnetic field dependence of the superconductivity.
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Novel Physics of non-centrosymmetric superconductors
Grant number：20244058 2008 - 2011
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A) Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
ZHENG Guo-qing, INADA Yoshihiko, KAWASAKI Shinji, ICHIOKA Masanori, SAKURAI Yoshiharu
Grant amount：\47320000 （ Direct expense: \36400000 、 Indirect expense：\10920000 ）
We have grown polycrystal samples of non-centrosymmetric superconductors Li_2(Pt_<1-x> Pd_x)_3B and studied the evolution of the superconducting state by NMR. We found that the superconducting state changes abruptly at x~ 0. 8. By analyzing the crystal structure, we found that the Pt(Pd) B_6 tilts abruptly beyond x~ 0. 8, which enhances the spin-orbit coupling and is responsible for the change in the superconducting state properties. We have also studied other non-centrosymmetric superconductors such as Mg_10Ir_19B_16 and Re_7B_3. The results also suggest that the local structure distortion is effective in enhancing the degree of inversion symmetry-breaking.
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微視的理論によるスピン三重項超伝導・超流動での特異な渦状態についての解明
Grant number：20029016 2008 - 2009
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特定領域研究 特定領域研究
市岡 優典, 町田 一成, 水島 健
Grant amount：\2300000 （ Direct expense: \2300000 ）
冷却原子気体で実現が期待されているスピン三重項p波超流動に注目し、ヘリウム3の等方的p波超流動やルテニウム酸化物のカイラルp波超伝導との関連も視野に入れて、秩序変数に内部自由度のあるp波超流動状態での渦状態について理論研究を行ってきた。特に、原子気体でのp波超流動は研究の萌芽期にあり、今後の実験観測でどのような渦状態が現れるかの理論予測を早期に行い、今後の実験研究のための指針となるような成果を心がけ研究を進めた。ヘリウム3超流動においては秩序変数の内部自由度の多彩さのためマーミン・ホー渦のように渦芯のないトポロジカルな構造の渦が実現している。それらの特異な渦の構造を微視的理論などにより詳細に解析し、冷却原子気体を含むp波超伝導・超流動の渦状態の特性を総合的に解明してきた。
内部自由度のあるp波超伝導・超流動の渦状態の空間構造や関係する物理量の計算を可能とするための計算手法として、現象論的手法であるギンツブルグ・ランダウ理論による計算方法、定量的に正しい微視的理論による評価をするための準古典理論やボゴリュウボブ・ドジャン理論による計算方法の開発を行なった。これにより、ヘリウム3で実現しているマーミン・ホー渦やカイラルp波超伝導での渦と類似の渦構造が冷却原子気体で実現する可能性を評価し、その空間構造を理論計節より明らかにした。特に、マヨラナ状態として注目されるp波超伝導量子渦での準粒子状態の存在と特性の解明を行った。また、d波対状態など、より高次の角運動量状態の場合にも研究を発展させ、その特異な渦状態の理論解析を行なった。この他、本特定領域研究に参加している実験グループとの情報交換を行い、ヘリウム3超流動の回転下での特異な渦状態や、ルテニウム酸化物・重い電子系などでの特異な超伝導状態に関しても研究を進めている。 -
Grant number：19540369 2007 - 2010
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C) Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
ICHIOKA Masanori
Grant amount：\4290000 （ Direct expense: \3300000 、 Indirect expense：\990000 ）
Spatial structure of vortex states in unconventional superconductors was theoretically studied, in order to establish theoretical methods to quantitatively estimate the temperature and magnetic field dependence of physical quantities, such as specific heat, magnetization, small angle neutron scattering intensity, and NMR spectrum. Using these, we extract information about mechanisms of unconventional superconductivity. The numerical methods to calculate vortex states in multicomponent superconductors, including spin-triplet pairing, were also developed.
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スピン3重項超伝導体におけるスピン流の理論的研究
Grant number：18043001 2006 - 2007
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特定領域研究 特定領域研究
浅野 泰寛, 市岡 優典
Grant amount：\2000000 （ Direct expense: \2000000 ）
本研究課題ではスピン3重項超伝導体に固有の輸送現象の解明を目指している.18年度はその中でもスピン・ジョセフソン効果の基本的な性質の解明と,観測に向けての提案を行った.超スピン流に関する研究はヘリウム3ですでに行われているが,本研究ではスピン3重項超伝導体Sr_2RuO_4を念頭に超スピン流を制御しながら流すための理論的提案を行った.超伝導体中のクーパー対はスピンの外に電荷の自由度をもち,電荷が電磁場とゲージ結合するためスピン流の制御が可能になるという結論を得た.スピン流の基礎的性質の研究とその応用研究は現在磁性体を用いた微小素子においてきわめて盛んに行われており,デバイス応用の可能性も高くなってきた.その意味で超伝導体を用いたスピン流の研究はとても時宜を得たものと考えられる.
19年度はT字形状の超伝導体と常伝導体の接合の電気伝導測定から,スピン1重項超伝導体と3重項超伝導体の峻別が可能であることを示した.この目的のためには多くの実験があるが,ルテニウム酸化物をはじめとして多くの3重項超伝導体について,スピン3重項超伝導を否定する意見もないわけではない.こうした状況の下で,超伝導の対称性をはっきりと区別できる方法の提案は,この分野の発展に大きく寄与すると考えられる. -
磁束渦糸状態から探る非従来型超伝導体の物性
Grant number：16740202 2004 - 2006
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(B) 若手研究(B)
市岡 優典
Grant amount：\3100000 （ Direct expense: \3100000 ）
重い電子系などの超伝導磁束渦糸状態の物性を理解する上でパウリ常磁性効果による超伝導対破壊の効果をきちんと考慮に入れて計算する必要がある。このため今年度は、超伝導異方性に加え、パウリ常磁性効果による対破壊効果も考慮した磁束渦糸状態の理論計算を行い、磁束渦糸状態の空間構造、磁場依存性・温度依存性におけるパウリ常磁性効果の影響を超伝導異方性の効果とともに明らかにする研究を行った。磁束渦糸状態での常磁性効果が実際の超伝導体で現れていることを検証するため、常磁性帯磁率や磁化の磁場変化などの基本的な物理量に加え、NMRのスペクトルや中性子散乱強度などの物理量を計算することにより、どのように常磁性効果が現れるべきかを解明する計算を実施し、CeCoIn_5やTmNi_2B_2Cなどの実験データを例にして常磁性効果の大きさが評価できることを示した。これらの成果は論文投稿準備中である。また、パウリ常磁性効果と関連した興味深い超伝導状態として、CeCoIn_5で発見されたFFLO(Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinikov)状態についても、NMRスペクトルなどの実験に対応した微視的理論計算を行い、その磁場温度依存性などFFLO磁束渦糸状態の性質について議論した。
一方、多成分超伝導オーダーパラメーターの系における特異な磁束渦糸状態の静的・動的性質についてのシミュレーション研究も、引き続き実施している。今年度は、非磁性不純物の周りの自発電流の空間構造や、ナノ構造超伝導体での超伝導空間構造・磁束渦糸構造に注目し、その中で、多成分超伝導体であることによる特異な振舞いを明らかにする研究を行った。特に、超伝導体に穴を開けてリング状にした系を考え、オーダーパラメーターの空間構造の磁場変化や転移温度の振舞いなど、多成分超伝導体でのリトルパークス効果の特異な様子を確かめる研究を進めている。 -
高温超伝導体の渦糸構造についての理論的研究
Grant number：96J05484 1998
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費 特別研究員奨励費
市岡 優典
Grant amount：\1200000 （ Direct expense: \1200000 ）