物性基礎工学研究グループ (田仲研)
 

物質における量子現象の理論的研究


 固体 における多様な電子の振舞いは様々な量子現象を作りだします。本研究室では、多くの電子・原子の集まった系を理論的に研究することで、凝 縮系物理学のフロンティアを解明することを目指しています。 電子 はフェルミ統計に従うために、金属、半導体、絶縁体といった多様な性質を示します。また自発的な対称性の破れにより、磁性や超伝導といっ た現象が起こります。こうした従来の凝縮系物理学の研究に加えて、今日トポロジカル量子物理という新しい領域が広がりつつあります。
 トポ ロジーとは連続変形で形を分類する数学の手法です。そこでは、トポロジカル不変量と呼ばれるある種の整数が定義されます。この手法を用い てハミルトニアンや波動関数を分類することで、トポロジカルに非自明な物質が整理されています。例えばトポロジカル絶縁体という表面だけ 金属的な性質をもつが内部は絶縁体という物質が最近発見されて、この分野が爆発的に広がっています。トポロジカル絶縁体には周辺物質とし て、異常ホール系、トポロジカル結晶絶縁体、ワイル半金属などトポロジカルに非自明な物質があります。こうした系は、スピントロニクスの 新しい材料として興味を集めています。
 その一方で、トポロジカルに非自明なエッジ状態をもつ超伝導体(トポ ロジカル超伝導)も興 味を集めています。そこでは、マヨラナフェルミオンという生成と消滅の区別のできない特異な準粒子がエッジ状態として現れます。このマヨラナフェルミオンのも つ非局所的相関効果は将来の量子計算に役立つといわれています。トポロジカル量子物理は、トポロジカル絶 縁体、超伝導体、超流動ヘリウム3、冷却原子気体など様々な系で研究され、フェルミオン、ボゾンだけでなく新しい統計性を持つ粒子の存在 も予言されています。
 我々 は、トポロジカル量子現象の研究を広く研究して(固体の電子系から冷却気体のような原子系まで)量子物理学のフロンティアを切り開く国際 的に卓越した研究拠点の形成を目指しています。 スタッフや大学院生と協力して、第一線の研究に積極的に参加し、新しい物理を切り開く意欲的な学生を歓迎いたします。研究室の中だけでなく、国内、海外の主要な研究室との共同研究が非常に活発に展開されています。

【研究テーマの解説はこちら】


現在の主要テーマ


 ・トポロジカル超伝導の理論
 ・超伝導接合系の理論
 ・冷却原子気体の理論
 ・スカーミオンの理論
 ・超伝導における新奇な対称性の理論
 ・トポロジカル絶縁体,トポロジカル結晶絶縁体の理論
 ・ボーズ粒子系におけるトポロジカル量子現象の理論
 ・ワイル半金属,ディラック半金属の理論
 ・単原子層物質の理論
 ・軸性流(アキシャルカレント)などの新しいスピントロニクスの理論


最近の主要な成果



今後の目標


 固体の中の電子は無数に存在していますが、それらは対称性という観点で整理することができます。
 磁性、超伝導といった現象は自発的に対称性の破れた系として理解されています。さらに超伝導を分類するうえで、スピン、空間パリティ、時間といった概念が非常に重要となります。ナノ構造の超伝導系あるいは強磁性体との接合では対称性の破れが重要な役割を果たす結果、奇周波数電子対というエキゾティックな状態が現れます。
 他方、電子の持つ位相は波動関数の一価性から、トポロジカルに特徴づけられる量子現象を作り出します。これまでに超伝導体・超流動体の渦の量子化、Aharonov-Bohm効果に始まり、量子ホール効果、分数量子ホール効果などがあげられます。量子スピンホール系、トポロジカル絶縁体は、量子ホール系と同様にバルクで非自明な絶縁体状態が実現されるために、エッジでは必ず金属状態をとらないといけないことが明らかになりました。
 近年、同様のエッジ状態が超伝導体の界面表面で実現されることがわかりました。これらのトポロジカルに非自明な系を研究することは、基礎的な観点だけでなく、無散逸電流 無散逸スピン流の制御とも関係して非常に将来性のある問題です。
 我々はこうした対称性の破れたトポロジカル量子現象の研究を様々な角度から研究して新しい学問分野の構築を目指しています。新奇な対称性やトポロジカル量子現象を解明して、あたらしい量子効果、機能を理論的に研究しています。


これまでの成果


超伝導接合・不均一系の理論

超伝導発現機構の理論

トポロジカル絶縁体に関連した主要な成果

トポロジカル超伝導に関連した主要な成果

2013 Tanaka Lab.