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Robustness against non-magnetic impurities in topological superconductors

トポロジカル超伝導体における非磁性不純物耐性

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、従来とは異なった熱応答や電磁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いる。そこで、本ポスター発表では、トポロジカル絶縁体Bi$$_{2}$$Se$$_{3}$$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、第一原理計算によって構築されたトポロジカル超伝導体を記述する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。

We study the robustness against non-magnetic impurities in a three-dimensional topological superconductor, focusing on an effective model (massive Dirac Bogoliubov-de Gennes (BdG) Hamiltonian with $$s$$-wave on-site pairing) of Cu$$_{x}$$Bi$$_{2}$$Se$$_{3}$$ with the parameter set determined by the first-principles calculation. With the use of the self-consistent $$T$$-matrix approximation for impurity scattering, we discuss the impurity-concentration dependence of the zero-energy density of states. We show that a single material variable, measuring relativistic effects in the Dirac-BdG Hamiltonian, well characterizes the numerical results. In the nonrelativistic limit, the odd-parity fully-gapped topological superconductivity is fragile against non-magnetic impurities, since this superconductivity can be mapped onto the $$p$$-wave superconductivity. On the other hand, in the ultrarelativistic limit, the superconductivity is robust against the non-magnetic impurities, since the effective model has the $$s$$-wave superconductivity. We derive the effective Hamiltonian in the both limit.

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