著者

横山 知大

出版者

一般社団法人 日本物理学会

雑誌

日本物理学会誌 (ISSN:00290181)

巻号頁・発行日

vol.73, no.6, pp.400-401, 2018-06-05 (Released:2019-02-05)

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新著紹介ナノ構造物質の光学応答

著者

横山 知大

出版者

一般社団法人 日本物理学会

雑誌

日本物理学会誌 (ISSN:00290181)

巻号頁・発行日

vol.72, no.6, pp.402-407, 2017-06-05 (Released:2018-06-05)

参考文献数

28

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トポロジーはこの30年ほどの物理学におけるキーワードの1つである.元々は物体の形状を穴の数などで分類する数学の分野だが,D. J. Thoulessらによって整数量子ホール効果がトポロジーの表現で理解できることが指摘された.波動関数が非自明なトポロジーを持つ物質・状態はトポロジカル物質・トポロジカル相と呼ばれ,トポロジカル絶縁体やワイル半金属などが研究されている.トポロジカル物質の特徴は保護された表面状態の存在である.これは真空中と物質中のトポロジーが異なるために現れる性質で,量子ホール効果のエッジ状態もその1つとして理解できる.整数量子ホール効果の場合,固有状態から幾何学的なベクトル場であるベリー曲率場が定義される.2次元ブリュアンゾーンにおいてベリー曲率場(の法線成分)を面積分すると,整数に2πを掛けた値となる.この整数はTKNN数またはチャーン数と呼ばれ,量子ホール効果のトポロジーを特徴付ける.ワイル半金属は3次元トポロジカル物質の1つで,そのバンドは円錐状の分散関係をともなう縮退点,ワイル点を持つ.本稿ではこのワイル点に関するトポロジーに着目する.ワイル半金属において,チャーン数は3次元ブリュアンゾーン中の結晶運動量の1成分を固定した2次元平面で定義される.その際,ワイル点はベリー曲率場を作り出すモノポールとして振る舞う.ベリー曲率場はそのモノポールによる磁場,チャーン数はその磁束のような関係がある.このため,ワイル点は「トポロジカル電荷を持つ」と表現される.トポロジカル物性は物質科学分野だけではなく,半導体ナノ構造・メゾスコピック系でも着目されている.例えば,擬1次元の半導体ナノワイヤ中に近接効果によってs波超伝導相関が染み出した系において,その超伝導領域の端に形成されるマヨラナ準粒子はトポロジカル相のエッジ状態として理解されている.超伝導体接合系は強磁性やスピン軌道相互作用との協奏,またはナノ構造・多端子構造による新奇物性の舞台として魅力的である.筆者も含めた最近の研究では,常伝導体に4つ(以上の)超伝導体を接合した多端子ジョセフソン接合において,アンドレーエフ束縛状態のスペクトルにワイル点(ワイル特異点)が現れることを報告した.常伝導領域では電子とホールが伝導するが,超伝導 / 常伝導領域の境界におけるアンドレーエフ反射によって電子とホールが結合して,アンドレーエフ束縛状態が形成される.超伝導電流は束縛状態を介して流れるため,その位相差に対する振る舞いが接合の性質を決める.N個の超伝導体があると,N-1個の独立な超伝導位相差が定義される.その全ての位相差に対してアンドレーエフスペクトルは2πの周期性を持つ.これらの位相差を「結晶運動量」,スペクトルを「エネルギーバンド」と考えると,多端子ジョセフソン接合は「人工的な物質」とみなすことができる.本稿では,この人工物質に現れるワイル特異点を紹介する.超伝導相関はs波の対称性のみを想定し,磁場・スピン軌道相互作用などがなくスペクトルはスピン縮退している,にもかかわらず特異点は現れる.これは「ナノ構造によるトポロジカル物性」である.さらに,特異点の検出という観点から,チャーン数による量子化された横伝導度について議論する.多端子ジョセフソン接合はまだ新しい研究対象であり,トポロジカルな性質も含めた多様な進展が期待される.