Nonmagnetic impurity effects in a three-dimensional topological superconductor; From - to -wave behaviors

三次元トポロジカル超伝導体における非磁性不純物効果; 波的から波的への変化

永井 佑紀   ; 太田 幸宏; 町田 昌彦  

Nagai, Yuki; Ota, Yukihiro; Machida, Masahiko

銅酸化物高温超伝導体や鉄系高温超伝導体に代表される非従来型超伝導体は、様々な産業への応用が期待され世界中で盛んに研究されている。特に、従来と異なった電磁応答や熱応答を示すトポロジカル超伝導体と呼ばれる物質群が注目を集めており、その基礎物性を調べることは重要である。本論文では、トポロジカル絶縁体BiSeに銅を導入して作成される超伝導体の不純物に対する耐性を調べた。なお、上記課題の解決にあたり、トポロジカル超伝導体を記述する一般的なモデルにおける不純物耐性を特徴付けるパラメータを見出し、そのパラメータが確かに不純物耐性をコントロールしていることを数値計算によって確かめた。これらの結果は、超伝導体の基礎物性を明らかにするのみならず、良い物性を持つデバイス開発に資する成果であり、広く原子力分野の材料開発のためのシミュレーション基盤開発にも資する成果である。

Unconventional features in superconductivity are revealed by responses to impurity scattering. We study nonmagnetic impurity effects in a three-dimensional topological superconductor, focusing on an effective model (massive Dirac Hamiltonian with s-wave on-site pairing) of copper-doped bismuth-selenium compounds. Using a self-consistent T-matrix approach for impurity scattering, we examine in-gap states in density of states. We find that the results are well characterized by a single material variable, which measures relativistic effects in the Dirac Hamiltonian. In the nonrelativistic regime, an odd-parity superconducting state is fragile against nonmagnetic impurities. We show that this behavior is caused by a p-wave character involved in the topological superconducting state. In contrast, we show that in the relativistic regime the superconductivity is robust against nonmagnetic impurities, owing to an s-wave character. To summarize, the system has two aspects, p- and s-wave features, depending on the weight of relativistic effects.