Spin-polarized majorana quasiparticle bound states in topological superconductors

トポロジカル超伝導体におけるスピン局在マヨラナ準粒子束縛状態

永井 佑紀   ; 中村 博樹  ; 町田 昌彦  

Nagai, Yuki; Nakamura, Hiroki; 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、本招待講演では、トポロジカル超伝導体に侵入した超伝導磁束の周りに生じる準粒子束縛状態について調べた結果を報告する。なお、上記課題の解決にあたり、トポロジカル超伝導体の超伝導磁束におけるゼロエネルギー束縛状態の解を対称性を利用して解析的に求め、さらに、数値計算で確認を行った。本招待講演では、侵入した超伝導磁束の周りにスピン局在したマヨラナフェルミオンという特異な束縛状態が現れ、その束縛状態によって電子スピンを磁束にとどめておけることを報告する。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、良い特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。

The discovery of topological superconductors opened a new research avenue on superconducting states. The topologically-protected nature results in gapless zero-energy quasi-particles identified as the Majorana fermions at surface edges, while the superconducting gap opens in the bulk. The experimental works on topological insulators have recently revealed that BiSe and SnTe turn into superconductors with carrier doping. Their superconducting gap functions are not conventional, since zero-bias conductance peaks (ZBCP's) have been detected by the point contact spectroscopy. ZBCP's can be regarded to originate from their non-trivial topology. The Majorana fermion appears at not only surface edges but also vortex cores in topological superconductors. We reveal that Majorana quasiparticle bound states inside the vortex core are spin-polarized by solving the massive Dirac Bogoliubov-de Gennes equations considering the spin-orbit coupling. This results is universal for "Dirac superconductivity" whose rotational degree of freedom is characterized by the total angular momentum J = S + L. Spin-sensitive probes such as the neutron scattering and other measurements above the first critical magnetic field can easily detect the spin-polarized vortex core.