特定領域研究「スーパークリーン物質で実現する新しい量子相の物理」
平成20―21年度 公募研究
「微視的理論による
スピン三重項超伝導・超流動での特異な渦状態についての解明」
Theoretical
study on anomalous vortex states
in spin-triplet pairing superconductivity and
superfluidity
公募研究 代表：市岡 優典、 分担：町田一成、水島健
[研究の概要]
冷却原子気体で実現が期待されているスピン三重項ｐ波超流動に注目し、ヘリウム３の等方的p波超流動やルテニウム酸化物などで考えられているカイラルp波超伝導との関連も視野に入れて、秩序変数に内部自由度のあるｐ波超流動状態における渦状態について理論研究を行う。ヘリウム３超流動においては秩序変数の内部自由度の多彩さのためMermin-Ho渦のように渦芯のないトポロジカルな構造の渦なども実現している。これらの特異な渦の構造をあらためて微視的理論などにより詳細に解析し、冷却原子気体を含むｐ波超伝導・超流動の渦状態の特徴について理論研究を行なう。
内部自由度のあるp波超伝導・超流動の渦状態の空間構造や、関係する物理量の計算に用いる計算手法として、従来からの現象論的手法であるGinzburg-Landau理論による計算方法に加え、定量的に正しい微視的理論による評価をするため、準古典Eilenberger理論の方法とBogoliubov-de Gennes理論による計算方法をp波超伝導・超流動に適用して理論解析を進める。微視的理論からは準粒子状態の空間構造を議論できる点も利点である。これらの複数の計算方法による計算を並行して行ない、互いに補いながら、p波超伝導・超流動での特異な渦状態を総合的に解明していく。
特に、原子気体でのp波超流動は研究の萌芽期にあり、今後の実験観測でどのような渦状態が現れるかの理論予測を行い、今後の実験研究のための指針を示すことを目指している。原子気体の系においてはFeshbach共鳴により引力の制御が可能であり、閉じ込め形状も様々に変えることが可能である。これらを考慮し、Mermin-Ho渦などの特異な渦状態の出現可能性や、渦におけるMajorana準粒子などの関連も視野に入れて、原子気体におけるp波超流動での渦状態の構造や相図を明らかにする。また、原子気体の系との関連も考慮しながら、ヘリウム3超流動での各種の特異な渦状態や、スピン三重項p波超伝導での渦状態（ルテニウム酸化物でのab面内磁場の場合の高磁場での超伝導抑制の問題など）についても研究を行ない、それぞれの渦状態の物性の定量的評価のための理論解析を、実験結果との比較も視野にいれて実施していく。
[発表論文]
・"Kelvin Waves of Quantized Vortex Lines in Trapped Bose-Einstein
Condensates",
T.P. Simula,
T. Mizushima, K. Machida, Phys. Rev. Lett. 101, 020402 1-4 (2008).
・"Majorana Bound State in Rotating Superfluid 3He-A between Parallel Plates",
Y. Tsutsumi,
T. Kawakami, T. Mizushima, M. Ichioka,
K. Machida, Phys. Rev. Lett. 101, 135302 1-4 (2008).
・"Role of the Majorana Fermion
and the Edge Mode in Chiral Superfluidity
near a p-Wave Feshbach Resonance",
T. Mizushima,
M. Ichioka, K. Machida, Phys. Rev. Lett. 101, 150409 1-4 (2008).
・"Vortex waves in trapped Bose-Einstein condensates",
T.P. Simula,
T. Mizushima, K. Machida Phys. Rev. A 78, 053604
1-7 (2008).
・"Vortex-splitting and phase-separating instabilities of coreless
vortices in F=1 spinor Bose-Einstein
condensates",
M. Takahashi, V. Pietila,
M. Mottonen, T. Mizushima,
K. Machida Phys. Rev. A 79, 023618 1-10 (2009).
・"Stability of a half-quantum vortex in rotating superfluid
3He-A between parallel plates",
T. Kawakami, Y. Tsutsumi,
K. Machida, Phys. Rev. B 79, 092506 1-4 (2009).
・"Spontaneous
mass current and textures of p-wave superfluids of
trapped fermionic atom gases at rest and under
rotation",
Y.
Tsutsumi and K. Machida, Phys. Rev. A 80,
035601, 1-4 (2009)
・"Stable
fractional vortices in the cyclic states of Bose-Einstein condensates",
J.
A. M. Huhtamäki, T. P. Simula,
M. Kobayashi, and K. Machida, Phys. Rev. A 80, 051601, 1-4 (2009).
・"Vortices
in p-Wave Superfluids of Trapped Fermionic
Atom Gases",
Y.
Tsutsumi and K. Machida, J. Phys. Soc. Jpn. 78, 084702, 1-8 (2009).
・"Textures
and Non-Abelian Vortices in Atomic d-Wave Paired
Fermi Condensates",
H.M.
Adachi, Y. Tsutsumi, J. A. M. Huhtamäki,
and K. Machida, J. Phys. Soc. Jpn. 78, 113301,
1-4 (2009).
・"Singular
Vortex in Narrow Cylinders of Superfluid 3He-A
Phase",
Y.
Tsutsumi and K. Machida, J. Phys. Soc. Jpn. 78, 114606, 1-10 (2009).
・"Effective
field theory for spinor dipolar Bose Einstein
condensates",
M.
Takahashi, S. Ghosh, T. Mizushima,
and K. Machida, Eur. Phys. J. B 68, 391-400 (2009).
・"Singular
and non-singular vortices and their excitation spectra of neutral fermi superfluids in restricted
geometries",
K.
Machida, Y. Tsutsumi, T. Kawakami, T. Mizushima, M. Ichioka and M.
Takahashi, J. Phys.: Conf. Ser. 150, 032049, 1-4 (2009).
・"Dynamical
stability of coreless vortex states in F = 1 spinor bose-einstein condensates",
M.
Takahashi, V. Pietilä, M. Möttönen,
T. Mizushima, and K. Machida, J. Phys.: Conf. Ser. 150,
032103, 1-4 (2009).
・"Flux
line lattice form factor and paramagnetic effects in type II superconductors",
M.
Ichioka and K. Machida, J. Phys.: Conf. Ser. 150,
052074, 1-4 (2009).
・"p波超流動体の量子渦に潜むマヨラナ型準粒子",
水島健, 市岡 優典, 町田 一成, 日本物理学会誌 64, 836-840
(2009).
・"Spin textures in a condensate with large
dipole moments",
J.A.M. Huhtamäki,
M. Takahashi, T.P. Simula, T. Mizushima,
and K. Machida, Phys. Rev. A 81, 063623, 1-8 (2010).
・"Vortex structures and zero energy states
in the BCS-to-BEC evolution of p-wave resonant Fermi gases",
T. Mizushima and K.
Machida, Phys. Rev. A 81, 053605, 1-14 (2010).
・"Dynamical Instability of Coreless
Vortices in F = 2 Spinor Bose-Einstein Condensates",
M.
Takahashi, T. Mizushima, and K. Machida, J. Low Temp.
Phys. 158, 58-64 (2010).
・"Textures
and Exotic Vortices in Neutral Fermion Superfluids",
K.
Machida, Y. Tsutsumi, T. Kawakami, H.M. Adachi,
J.A.M. Huhtamäki, T. Mizushima,
and M. Ichioka, J. Low Temp. Phys. 158,
377-383 (2010).
・"Singular
and Half-Quantum Vortices and Associated Majorana
Particles in Superfluid 3He-A between
Parallel Plates",
T.
Kawakami, Y. Tsutsumi, and K. Machida, J. Phys. Soc. Jpn. 79, 044607, 1-8 (2010).
・"Textures and Vortices in d-Wave Fermi
Condensates in Atomic Gases",
H. M. Adachi, Y. Tsutsumi,
and K. Machida, J. Phys. Soc. Jpn. 79, 044301,
1-8 (2010).
・"Stability of the Singular Vortex and
Associated Majorana Zero Modes in Trapped p-Wave
Resonant Superfluids of Neutral Cold Atoms",
Y. Tsutsumi and K.
Machida, J. Phys. Soc. Jpn. 79, 034301, 1-5
(2010).
・"Theory of Pairing Symmetry in Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikov Vortex State and Vortex Lattice"
T.
Yokoyama, M. Ichioka, and Y. Tanaka, J.
Phys. Soc. Jpn. 79, 034702, 1-10
(2010).
・"Splitting
and oscillation of Majorana zero modes in the p-wave
BCS-BEC evolution with plural vortices",
T.
Mizushima and K. Machida,
Phys.
Rev. A, in press.
・"Skyrmion
lattice and intrinsic angular momentum effect in the superfluid
3He A-phase under rotation",
M. Ichioka, T. Mizushima, and K. Machida, Phys. Rev. B, in press.