Theory of spin current phenomena utilizing the superconducting vortex as a real-space topological defect

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本研究課題では、超電導の量子渦糸が磁束の量子化条件で保護された実空間のトポロジカル欠陥であり、スピンを内包するカプセルとして機能する点に着目する。この超伝導渦糸に閉じ込めたスピンが渦糸と連動して動くのか否かを理論的に解明し、超伝導渦糸を利用した新しいスピン輸送原理を確立することを目的としている。令和４年度は、２つの課題について取り組んだ。１つ目は、超伝導渦糸とスピン蓄積が連動するのか否かを直接的に調べるため、時間依存ギンツブルグ・ランダウ方程式をスピン流を含む形に拡張する作業を行った。そして、渦糸の運動と同じ方向にスピン流が流れ、かつ、スピン流とは垂直方向に電流が流れる、という予備的な結果が得られている。２つ目は、（渦糸を含まない）マイスナー状態への超伝導転移点近傍でスピンホール効果に異常が見られるか否かについて調べた。これは、NbN のマイスナー状態への超伝導転移点に伴い、スピンホール信号に極めて強い異常が観測されていることを受けたものである [Jeon et al., ACS Nano 14, 15874 (2020)]。結果として、２次元系ではスピンホール伝導度に対数発散が現れるものの、実験で観測された数十倍もの信号増幅を説明する異常は現れないことが判明した。結果として、上記の実験結果はスピンホール効果への超伝導揺らぎの寄与では説明できず、別のメカニズムによるものだと結論した。なお、この成果は Watanabe et al., Phys. Rev. B 106, 104504 (2022)に出版された。