フェルミ面の情報からトポロジカル超伝導体を同定 -トポロジカル超伝導体の探索を加速する指針を構築-

2026-05-25 理化学研究所

理化学研究所数理創造研究センターなどの国際共同研究グループは、超伝導体の「フェルミ面」の情報だけから、トポロジカル超伝導体かどうかを判定できる理論公式を構築した。トポロジカル超伝導体は、物質表面や欠陥にマヨラナ粒子を生じる可能性があり、将来の量子計算技術への応用が期待されるが、候補物質探索の難しさが課題だった。研究では、時間反転対称性とs波型ペアリング対称性を持つ超伝導体を対象に、フェルミ面上での超伝導ペアリングポテンシャルの符号とフェルミ速度のみを用いて、トポロジカル性を判定する方法を導出した。さらに230種類の空間群のうち159種類で完全判定を実現し、残りについても部分的同定を可能にした。第一原理計算と実験データを組み合わせることで、大量の候補物質を効率的に探索できる基盤技術となる。成果は『Nature Communications』に掲載され、量子材料探索やトポロジカル量子計算研究の加速が期待される。

フェルミ面の情報からトポロジカル超伝導体を同定 -トポロジカル超伝導体の探索を加速する指針を構築-
フェルミ面に基づくトポロジカルな性質の判定方法の概念図
(Z. Zhang, et al.,Nature Communications)

<関連情報>

s波様ペアリング対称性を持つトポロジカル超伝導のフェルミ面診断 Fermi-surface diagnosis for topological superconductivity with s-wave-like pairing symmetries

Zhongyi Zhang,Ken Shiozaki,Chen Fang & Seishiro Ono
Nature Communications  Published:25 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-72811-z

Abstract

Theoretical prediction of topological superconductivity is key to their discovery. Recently, it is proven that in 199 out of 230 space groups, topological superconductivity coexists with an s-wave-like pairing symmetry, raising the hope of finding more candidates for this exotic phase. However, a comprehensive and efficient method for diagnosing topological superconductivity in realistic materials remains elusive. Here, we derive Fermi-surface formulas for gapped and gapless topological phases of time-reversal symmetric superconductors with s-wave-like pairing symmetries in all layer and space groups, applicable to thin-film and bulk materials. Our diagnosis uses only the sign of the pairing and the Fermi velocity at several Fermi points, and yields complete (partial) diagnosis for gapped and gapless superconducting phases in 159 (71) space groups. This provides a fundamental basis for the first-principles prediction of new topological superconductors.

1701物理及び化学
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