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Nonequilibrium quantum phenomena and topological superconductivity in atomic layer materials

Chono, Hiroomi 京都大学 DOI:10.14989/doctor.k22988

2021.03.23

概要

近年、レーザー実験技術の飛躍的進歩に動機付けられて、テラヘルツ波と強力な短パルスレーザーによる物質の物理的特性の制御が注目されてきた。強いレーザー光を照射することによって誘起される特異な電子状態や巨視的性質(例えば、光学的性質、電気伝導特性、磁性など)が大きな注目を集めている。また、電子相関やスピン間相互作用による巨視的量子相が光照射下で変化する現象、すなわち光誘起相転移も非常に興味深い問題である。さらなる発展として、量子力学的な波動関数のトポロジーが光によって変化する光誘起トポロジカル相転移が集中的に研究されている。

フロケ理論はそのような非平衡定常状態を理論的に記述するための簡便かつ妥当な方法であり、フロケ理論を用いた物質制御の試みはフロケエンジニアリングと呼ばれている。物質のトポロジカル相(トポロジカル絶縁体・超伝導体など)の中には平衡状態で安定化することが難しいものが多くあり、それらを実現するための戦略の一つとしても、フロケエンジニアリングは注目を集めている。その先駆的な研究として、グラフェンの光誘起量子ホール効果が理論的に提案され、実験的に確認されている。

レーザー光によって引き起こされるこのような非平衡定常状態および緩和プロセスは、平衡状態では実現できない様々な物理的特性を実現する可能性を秘めている。このような観点からの研究が盛んに行われているが、超伝導状態の制御に向けた研究は萌芽的な段階にある。

一方、最近のナノテクノロジーや原子層材料の研究の進展により、原子と同程度の厚さを持つ様々な二次元超伝導体が発見された。それらの二次元超伝導体には、超伝導特性を人工的に制御できるというメリットがある。絶縁体や半導体を超伝導にするためには高密度の電子キャリアを注入することが必要だが、イオン液体とゲート電圧を使用する電気二重層トランジスタを使用することによって可能となっている。この方法により、二次元電子系を電界誘起によって超伝導相に移行させることができる。これまでの実験的成果により、MoS2やNbSe2などの遷移金属ダイカルコゲナイドや遷移金属酸化物ヘテロ構造において二次元超伝導が実現している。

これらの状況に動機付けられて、 本研究では光誘起による非平衡二次元超伝導状態を理論的に研究した。特に、二層遷移金属ダイカルコゲナイドに円偏光レーザー光を照射することによりトポロジカル超伝導を実現することが可能であることを提案している。そこでは、遷移金属ダイカルコゲナイドの伝導バンドを再現する強束縛模型をフロケ理論の高周波展開(フロケ-マグナス展開)によって解析し、非平衡状態を記述する有効模型を導出した。有効模型のトポロジカルな性質を数値的に調べることにより、それがチャーン数4を有するトポロジカル超伝導状態であることを示した。

博士論文では、1章において概要を述べたのちに、2章でフロケエンジニアリングについて、3章で二次元超伝導体の発展について解説している。主たる研究成果が4章に示されており、そこでは遷移金属ダイカルコゲナイドの特異な電子構造と高い制御性を活用してトポロジカル超伝導を実現するメカニズムが解説されている。最後に全体のまとめが5章で述べられている。

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