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論文

Time-reversal symmetry breaking phase and gapped surface states in $$d$$-wave nanoscale superconductors

永井 佑紀; 太田 幸宏*; 田中 佳織*

Journal of Physics; Conference Series, 969, p.012039_1 - 012039_6, 2018/03

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.04

銅酸化物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、近年、ナノ構造作製技術が向上し、詳細なコントロールによって超伝導体の物性をコントロールすることが可能になってきた。本ポスター講演では、銅酸化物高温超伝導体のモデルとしてよく用いられる$$d$$波超伝導体のナノ構造体の高精度シミュレーションの結果を報告する。なお、上記課題の解決にあたり、自己無撞着場計算において高パフォーマンスを示す縮約シフト共役勾配法による超伝導体向け超並列シミュレーションコードの開発をICE X上で行った。そして、$$d$$波超伝導体のひし形構造のナノ構造体において、低温で時間反転対称性を破った新しい超伝導相が現れることがわかった。この相を利用することで、銅酸化物高温超伝導体の臨界電流を上昇させることが可能であると考えられる。これらの結果は、実用上重要な高臨界電流超伝導デバイス開発に資する成果であり、広く原子力分野のためのシミュレーション技術開発にも資する成果である。

論文

Time-reversal symmetry breaking and gapped surface states due to spontaneous emergence of new order in $$d$$-wave nanoislands

永井 佑紀; 太田 幸宏*; 田中 佳織*

Physical Review B, 96(6), p.060503_1 - 060503_5, 2017/08

 被引用回数:7 パーセンタイル:40.93(Materials Science, Multidisciplinary)

銅酸化物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、近年、ナノ構造作製技術が向上し、詳細なコントロールによって超伝導体の物性をコントロールすることが可能になってきた。本論文では、銅酸化物高温超伝導体のモデルとしてよく用いられる$$d$$波超伝導体のナノ構造体を対象とし、ひし形形状ナノ超伝導体の高精度シミュレーションの結果を報告する。なお、上記課題の解決にあたり、自己無撞着場計算において高パフォーマンスを示す縮約シフト共役勾配法による超伝導体向け超並列シミュレーションコードの開発を行った。そして、この$$d$$波ナノ超伝導体では、低温で時間反転対称性を破った新しい超伝導相が現れることがわかった。この相を利用することで、銅酸化物高温超伝導体の臨界電流を上昇させることが可能であると考えられる。これらの結果は、実用上重要な高臨界電流超伝導デバイス開発に資する成果であり、広く原子力分野のためのシミュレーション技術開発にも資する成果である。

論文

Nuclear magnetic relaxation rates of unconventional superconductivity in doped topological insulators

永井 佑紀; 太田 幸宏*

Physical Review B, 94(13), p.134516_1 - 134516_8, 2016/10

 被引用回数:6 パーセンタイル:33.83(Materials Science, Multidisciplinary)

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、本発表では、トポロジカル絶縁体Bi$$_{2}$$Se$$_{3}$$にCuをドーピングすることで作成された超伝導体Cu$$_{x}$$Bi$$_{2}$$Se$$_{3}$$がトポロジカル超伝導体であるかどうかを調べるための理論的提案を行った。上記課題の解決にあたり、本論文においては、核磁気緩和率測定に着目し、第一原理計算から得られた模型を用いて核磁気緩和率の温度依存性とドーピング量依存性を計算した。その結果、トポロジカル超伝導体においては、全く新しい「逆コヒーレンス効果」という現象が超伝導転移温度直上で起きることを見いだした。これらの結果は、トポロジカル超伝導体を用いた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シミュレーション基盤開発にも資する成果である。

論文

Critical temperature enhancement of topological superconductors; A Dynamical mean-field study

永井 佑紀; 星野 晋太郎*; 太田 幸宏*

Physical Review B, 93(22), p.220505_1 - 220505_5, 2016/06

 被引用回数:8 パーセンタイル:42.08(Materials Science, Multidisciplinary)

銅酸化物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、超伝導転移温度のさらなる上昇方法を探ることは、基礎及び応用どちらの面においても非常に重要である。本論文発表では、二次元トポロジカル超伝導体と呼ばれるスピン軌道相互作用の強い系において、ゼーマン磁場が印加されることで超伝導転移温度が上がることを理論的に予想した。なお、上記課題の解決にあたり、超伝導転移温度を数値的に厳密に評価するための動的平均場理論と連続時間量子モンテカルロ法を組み合わせた計算手法のコード開発を行い、可能な限り正確な超伝導転移温度を見積もった。本論文発表では、スピン軌道相互作用とゼーマン相互作用の協調によって生じた新しいメカニズムによって超伝導転移温度が上昇することを報告し、それを観測するためのデバイスを提案する。これらの結果は、高い転移温度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。

論文

A Screened automated structural search with semiempirical methods

太田 幸宏; Ruiz-Barragan, S.*; 町田 昌彦; 志賀 基之

Chemical Physics Letters, 648, p.119 - 123, 2016/03

 被引用回数:4 パーセンタイル:12.45(Chemistry, Physical)

自動化学反応経路探索のソフトウエアGRRMと半経験的分子軌道計算法ソフトウエアMOPACのインターフェースツールの開発に成功した。このツールを使ってセルロースに対するイオンの吸着についてのテストを実施した所、計算効率は密度汎関数理論を用いたときより遥かに高速となり、複雑かつ巨大な分子に対する構造や反応経路の探索においては、極めて有効なツールとなることが分かった。

論文

Theory of low-energy behaviors in topological s-wave pairing superconductors

太田 幸宏; 永井 佑紀; 町田 昌彦

Physica C, 518, p.5 - 9, 2015/11

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Physics, Applied)

トポロジカル超伝導体は、新規量子エンジニアリングへの応用可能性から、着目されている超伝導材料である。その超伝導特性の解明は、超伝導分野における一大テーマとなっている。本講演では、先に我々が実施した非磁性不純物に関する数値解析の結果に触発され、トポロジカル超伝導体の候補とされるCu$$_{x}$$Bi$$_{x}$$Se$$_{3}$$に対する低エネルギー有効理論の構築に関する成果を発表する。先の数値解析では、本物質についてはp波的超伝導挙動とs波的超伝導挙動が混在する可能性が示唆されていた。これは従来の超伝導理論では捉えきらない結果であり、その理解は急務である。そこで、ユニタリー基底変換による高次補正を取り入れた摂動論的アプローチを開発し、p波的挙動が主要となる低エネルギー領域に適用した。その結果、有効ギャップ関数においてp波成分とs波成分の混合を陽に導出することに成功した。得られた成果は、今後の当該物質の応用を提案する基礎理論として重要になると期待される。

論文

Inverse coherence effects in nuclear magnetic relaxation rates as a sign of topological superconductivity

永井 佑紀; 太田 幸宏; 町田 昌彦

Physical Review B, 92(18), p.180502_1 - 180502_5, 2015/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:16.37(Materials Science, Multidisciplinary)

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、本論文では、トポロジカル絶縁体Bi$$_{2}$$Se$$_{3}$$にCuをインターカレートすることで作成される超伝導体Cu$$_{x}$$Bi$$_{2}$$Se$$_{3}$$がトポロジカル超伝導体であるかどうかを調べるための検出方法を提案した。なお、上記課題の解決にあたり、核磁気緩和率の温度依存性に着目し、そのトポロジカル性が温度依存性に反映されることを明らかにした。その結果、もしこの物質がトポロジカル超伝導体であれば、今までの教科書には存在していなかった全く新しい超伝導コヒーレンス効果が起きることがわかり、核磁気緩和率測定によってトポロジカル超伝導体を検出することができることがわかった。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、よ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。

論文

Topological $$s$$-wave pairing superconductivity with spatial inhomogeneity; Midgap-state appearance and robustness of superconductivity

永井 佑紀; 太田 幸宏; 町田 昌彦

Journal of the Physical Society of Japan, 84(3), p.034711_1 - 034711_8, 2015/03

 被引用回数:6 パーセンタイル:48.27(Physics, Multidisciplinary)

銅酸化物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カテゴリー群が注目を集めている。そこで、本論文では、トポロジカル超伝導体が非磁性不純物の存在に対してどの程度堅牢かを調べた。なお、上記課題の解決にあたり、トポロジカル超伝導体を特徴付けるトポロジカル量と不純物の存在による励起状態の関連を調べるために、櫻井杉浦法による超高速固有値ソルバを用いて実空間ボゴリウボフドジャン方程式を精度よく解き固有値と固有ベクトルを求め、トポロジカル数と不純物耐性に強い関係があることを突き詰めた。本論文では、強磁性と超伝導体を組み合わせたナノ半導体構造体界面上で実現されるトポロジカル超伝導体を調べた結果を報告する。これらの結果は、超伝導体の基礎特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。

論文

Robustness against non-magnetic impurities in topological superconductors

永井 佑紀; 太田 幸宏; 町田 昌彦

Journal of Physics; Conference Series, 568(2), p.022030_1 - 022030_5, 2014/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.05

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。

論文

Impurity effects in a two-dimensional topological superconductor; A Link of $$T_{rm c}$$-robustness with a topological number

永井 佑紀; 太田 幸宏; 町田 昌彦

Journal of the Physical Society of Japan, 83(9), p.094722_1 - 094722_5, 2014/09

 被引用回数:9 パーセンタイル:57.66(Physics, Multidisciplinary)

銅酸化物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カテゴリー群が注目を集めている。そこで、本論文では、トポロジカル超伝導体に非磁性不純物の存在に対してどの程度堅牢かを理論的に調べた。なお、上記課題の解決にあたり、トポロジカル超伝導体を特徴付けるトポロジカル量を数値的に精度よく計算する方法を開発し、トポロジカル数と不純物耐性の間に関係があることを突き止めた。本論文では、強磁性体と超伝導体を組み合わせたナノ半導体構造体上で実現されるトポロジカル超伝導体を調べた結果を報告する。これらの結果は、超伝導体の基礎特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。

論文

Ferromagnetism in multi-orbital Fermi gas loaded on a one-dimensional optical lattice

小林 恵太; 奥村 雅彦; 太田 幸宏*; 山田 進; 町田 昌彦

JPS Conference Proceedings (Internet), 3, p.016006_1 - 016006_6, 2014/06

光学格子中の冷却原子気体では固体中の電子状態と同様の状態を作り出すことができることから、量子物性のシミュレーターとして注目されている。近年では多軌道を持った光学格子中の原子気体が実現しており、遷移金属などが示すさまざまな強相関電子物性を光学格子中で実現することが可能になると考えられている。本発表では多軌道を持つフェルミ原子気体が示す強磁性状態に対し、密度行列繰り込み群法を用いた解析を行った。得られた結果として、原子が金属的な状況にある場合に強磁性が発言することを示した。また、Haldane相と強磁性相が共存して現れることも明らかにした。強磁性相はHaldane相のedge状態と結合して現れ、強磁性自体がedge状態と同様の特性を持つという興味深い結果を得ることができた。

論文

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

永井 佑紀; 太田 幸宏; 町田 昌彦

Physical Review B, 89(21), p.214506_1 - 214506_6, 2014/06

 被引用回数:21 パーセンタイル:68.55(Materials Science, Multidisciplinary)

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、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。

論文

Theory of macroscopic quantum tunneling with Josephson-Leggett collective excitations in multiband superconducting Josephson junctions

浅井 栄大*; 太田 幸宏; 川畑 史郎*; 町田 昌彦; Nori, F.*

Physical Review B, 89(22), p.224507_1 - 224507_7, 2014/06

 被引用回数:9 パーセンタイル:41.63(Materials Science, Multidisciplinary)

集団励起現象は超伝導材料の特性探索および応用可能性を調べる上で重要である。本論文では、多バンド超伝導を含むジョセフソン接合デバイスにおいて、その固有の集団励起、ジョセフソン・レゲットモードの寄与を系統的かつ精密に評価し、量子デバイス特性と関わる巨視的量子トンネル効果を記述する理論を提案する。得られた理論により、ジョセフソン・レゲットモードが有する役割が明らかになる。すなわち、(1)零点振動によるトンネルレートの増強、(2)量子摩擦によるトンネルレートの抑制、である。この相反する特性は、今回の論文によりはじめて予測されるものである。加えて、得られた理論は効果(1)が効果(2)より優勢であることを示す。したがって、多バンド超伝導ジョセフソン接合では、量子効果は非常に観測しやすいと結論される。

論文

Quantum phases in degenerate-$$p$$-orbital attractive one-dimensional fermionic optical lattices

小林 恵太; 太田 幸宏; 奥村 雅彦; 山田 進; 町田 昌彦

Physical Review A, 89(2), p.023625_1 - 023625_6, 2014/02

 被引用回数:8 パーセンタイル:45.16(Optics)

光格子中の冷却原子気体では固体中の電子状態と同様の状態を作り出すことができ、また、その高い実験制御性から量子物性のシミュレーターとして注目されている。近年では多軌道を持った光格子中の原子気体が実現しており、遷移金属などが示す強相関電子物性を光格子中で実現することが可能になると考えられている。本論文では$$p$$軌道中の引力相互作用する原子気体に対し、密度行列繰り込み群法を用いた解析を行った。得られた結果として、この系では特殊な絶縁体状態であるハルデン絶縁体相が実現することを明らかにした。更に系が有限磁化を持つ場合に、強い相分離が引き起こされることを示した。

論文

Massless collective excitations in frustrated multiband superconductors

小林 恵太; 町田 昌彦; 太田 幸宏*; Nori, F.*

Physical Review B, 88(22), p.224516_1 - 224516_5, 2013/12

 被引用回数:16 パーセンタイル:60.21(Materials Science, Multidisciplinary)

近年、鉄系超伝導物質などの多バンド超伝導体が注目を集めており、バンド間に働く相互作用により特異な超伝導状態が引き起こされる可能性が指摘されている。本発表では多バンド超伝導体における時間反転対称性の破れた状態、及び集団励起の解析を行った成果を報告する。まず多バンド超伝導模型がフラストレーションのあるスピンモデルにマッピングできることを示し、スピンモデルに対し平均場解析を行うことにより、超伝導状態、集団励起を調べた。時間反転対称性の破れるパラメーター領域を調べ、さらに集団励起の解析を行ったところ、いくつかの集団励起がギャップレスになる領域が存在することが判明した。集団励起は物質の比熱などと結びつく量であることから、ギャップレスな集団励起は超伝導物性において重要な役割を果たすと考えられる。今回の計算手法は多バンドを持つ様々な超伝導物質に適用可能であり、今後の発展が期待される。

論文

Analysis of collective excitation for multi band superconductor; Frustrated spin model approach

小林 恵太; 太田 幸宏*; 町田 昌彦

Physica C, 494, p.13 - 16, 2013/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:22.02(Physics, Applied)

近年、鉄系超伝導物質などの多バンド超伝導体が注目を集めており、異なったバンド間に働く相互作用により特異な超伝導状態が引き起こされる可能性が指摘されている。本発表では、その多バンド超伝導体の集団励起の解析を行った成果を報告する。まず多バンド超伝導模型がフラストレーションのあるスピンモデルにマッピングできることを示し、さらに導出したスピンモデルに対し平均場解析を行うことによって、超伝導状態、及び集団励起の解析を行った。得られた結果として、幾つかの集団励起がギャップレスとなるパラメーター領域が存在することが判明した。集団励起は物質の比熱等と結びつく量であることから、ギャップレスな集団励起は超伝導物性において重要な役割を果たすと考えられる。今回の計算手法は多バンドを持つさまざまな超伝導物質に適用可能であり、今後の発展が期待できる。

論文

Numerical construction of a low-energy effective Hamiltonian in a self-consistent Bogoliubov-de Gennes approach of superconductivity

永井 佑紀; 篠原 康*; 二村 保徳*; 太田 幸宏*; 櫻井 鉄也*

Journal of the Physical Society of Japan, 82(9), p.094701_1 - 094701_10, 2013/09

 被引用回数:17 パーセンタイル:70.29(Physics, Multidisciplinary)

銅酸化物高温超伝導体に代表される非従来型超伝導体は、原子力分野をはじめとして、さまざまな産業への応用も期待され世界中で盛んに研究されているが、これらの超伝導体を利用したマイクロデバイスを設計するためには量子力学的挙動も含めて正確に取り扱うことが必要である。本研究では、上記課題に対し、スペクトル直交多項式展開と杉浦櫻井法を併用した並列性の極めて高い数値計算手法を開発したことを報告する。なお、上記課題の解決にあたっては、その並列計算性能を示すために、スーパーコンピュータBX900に最適化した超大規模並列計算コードを開発することに成功した。これらの結果は、超伝導体のシミュレーションのみならず、実空間第一原理計算等の巨大な系を扱える手法の一つとしても有用であり、さまざまな系に適用可能であり、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。

論文

Revisit to terahertz wave emission with motions of Josephson vortices

松本 秀樹*; 小山 富男*; 町田 昌彦; 太田 幸宏*; 山田 進

Physica C, 491, p.40 - 43, 2013/08

 被引用回数:2 パーセンタイル:11.18(Physics, Applied)

高温超伝導体は、超伝導という優れた機能を有する材料であるが、結晶構造が持つ大きな異方性によりテラヘルツ波の発振源としての性質を持つことが実験的に示されている。本研究では、その発振が磁場下かでさらに増幅されうるか、あるいは、減ぜられるかについて数値シミュレーションの結果を報告し、発振と磁場との関係を明らかにする。なお、超伝導体からTHz発振という現象自体が極めてユニークである一方、理論的には極めてエネルギー密度の高い電磁波を発振できるとの予測があり、原子力分野をはじめとして、さまざまな応用が期待できる。

論文

Numerical study for electromagnetic wave emission from intrinsic Josephson junction stacks with a dielectric cover

小山 富男*; 松本 秀樹*; 太田 幸宏*; 町田 昌彦

Physica C, 491, p.20 - 23, 2013/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Physics, Applied)

超伝導は極めて有用な機能材料であり、デバイスとしての応用についても盛んに研究が行われている。本研究では、銅酸化物高温超伝導体の結晶構造の層状性を利用したテラヘルツ電磁波発振デバイスを取り上げ、発振強度の誘電体カバーによる増幅についてのシミュレーション結果を報告する。シミュレーションにより得られた成果は、誘電体カバーを取り付けると、高温超伝導体内部の発振と接続し、共振可能となるため発振強度が増幅されるというアイデアのシミュレーションによるデモンストレーションであり、カバーなしの場合より遥かに高強度の発振が得られる。

論文

Nontrivial Haldane phase of an atomic two-component Fermi gas trapped in a 1D optical lattice

小林 恵太; 奥村 雅彦; 太田 幸宏*; 山田 進; 町田 昌彦

Physical Review Letters, 109(23), p.235302_1 - 235302_5, 2012/12

 被引用回数:23 パーセンタイル:75.09(Physics, Multidisciplinary)

冷却中性フェルミ原子気体はその高い実験制御性から、物質の量子シミュレーターとして注目を集めており、さまざまな物質の根源的メカニズムが理解できる可能性が指摘されている。特に、近年では、多軌道性を有する原子気体が実現しており、遷移金属からアクチナイド元素まで幅広い元素を主要元素とする化合物に対し、より実際の物質に近い状況での実験が可能となっている。本論文では、この光学格子中の多軌道を持つフェルミ原子気体においてハルデーン相を実現する方法を提案した。ハルデーン相とはスピンギャップと端状態を持つ系であり、近年では量子コンピューター等への応用等も提案されている。本文では系を記述する多軌道模型の導出を行い、密度行列繰り込み群を用いた数値解析によりハルデーン相の実現条件を明らかにした。さらに、相互作用が強い場合にはハルデーン相と強磁性体相が共存して現れることも示した。これらの結果は、例えばさまざまな多軌道を持つ機能材料物質に対する知見の獲得とも位置付けられ、今後、さまざまな分野への発展が期待される。

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