| Project Area | 1000-Tesla Chemical Catastrophe : Science of Chemical Bonding under Non-perturbative Magnetic Fields |
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| Project/Area Number |
23H04865
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
岡 隆史 東京大学, 物性研究所, 教授 (50421847)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
那須 譲治 東北大学, 理学研究科, 准教授 (40610639)
富田 裕介 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (50361663)
笠松 秀輔 山形大学, 理学部, 准教授 (60639160)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2028-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥109,460,000 (Direct Cost: ¥84,200,000、Indirect Cost: ¥25,260,000)
Fiscal Year 2026: ¥22,490,000 (Direct Cost: ¥17,300,000、Indirect Cost: ¥5,190,000)
Fiscal Year 2025: ¥25,870,000 (Direct Cost: ¥19,900,000、Indirect Cost: ¥5,970,000)
Fiscal Year 2024: ¥21,710,000 (Direct Cost: ¥16,700,000、Indirect Cost: ¥5,010,000)
Fiscal Year 2023: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000)
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| Keywords | 磁場中の電子状態 / 磁場中の電子・格子相互作用 / 磁場下の理論 / 強相関電子系 / 電子状態 / 強磁場 / 量子物質 / 強相関効果 / 電子相関 / 構造相転移 / 磁場誘起現象の理論 |
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| Outline of Research at the Start |
1000テスラという強磁場により電子やイオンは10オングストローム程度の半径で回転し続けるサイクロトロン運動を行います。量子力学の観点からみると、本来、電子などは波と粒子の両面性を持っているのですが、磁場下では「回転する粒子」としての性質が強くなります。これにより、波としての性質を強く反映していた化学反応や固体結晶の成り立ち、さらには物質の性質が大きく変化します。本課題では計算機やモデル解析を通じてこれらの新奇現象について研究していきます。
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁場中の電子状態の理論研究は、実際に電子状態や格子構造が磁場によってどのように変化するのか、強相関効果が何をもたらすのか、そして、それらを測定するための手法の開発と多岐に渡る。本理論班では、これらの課題について、一歩一歩問題を定義し、研究を実施している。以下に２０２４年度の主な研究成果についてまとめる。
岡は、表面弾性波を用いた磁場中電子状態測定の手法開発を念頭に、進行波を用いたディラック電子系のフロッケ・エンジニアリングの基礎理論を構築した。また、時間的に振動する磁場中の新しい量子状態であるπ-ランダウ準位を発見した。さらに、光を用いた測定手法として、スピンや電流の生成についても調べた。那須は、強相関電子系で現れる励起子凝縮相に対する強磁場効果を明らかにするために、スピンレスハバード模型にパイエルス位相を導入し、平均場近似によって磁場相図を完成させた。また、励起子凝縮相や軌道秩序相の磁場に対する安定性を明らかにした。笠松は、強誘電体の規則・不規則型構造転移を可視化するため、機械学習ポテンシャルを用いた分子動力学計算を実施した。また、実験で観測した100T下の固体酸素の巨大な磁歪について、第一原理計算から導出したスピン間相互作用パラメータに基づいて解釈を提供した。富田は、チタンを中心に持つ酸素八面体への磁場の影響についてHatree-Fock法を用いて調べ, 酸素八面体が磁場印加方向に歪むことを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度は領域会議や班間連携セミナーを通じて多彩な磁場誘起現象について議論を深めた。理論模型の構築も実施し、磁場誘起秩序についての計算を開始している。出版論文４編とプレプリントを５編まとめている。特に、笠松による強誘電体の相転移を機械学習ポテンシャルの可視化と、固体酸素の巨大磁歪の理論的解釈、そして、富田による酸素八面体の磁場応答についてのHartree-Fock法解析、さらに、那須による励起子凝縮相や軌道秩序相の磁場応答に関する研究は本領域の実験成果を元にした理論研究であり、理論と実験のシナジー効果が顕著に表れている。また、岡による表面弾性波を用いたフロッケ・エンジニアリングは本領域で計画されている実験提案とリンクしており、今後の研究の発展が期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進においては、これまで得られた成果を土台に、理論と実験の連携を一層強化し、磁場誘起物性の理解と制御技術の高度化を目指すことが重要である。まず、理論と実験の緊密な協働体制を築くことが最も効果的である。岡による表面弾性波を用いたフロッケ・エンジニアリングの理論は、本領域で計画中の実験と密接に関わっており、実験的検証とフィードバックを通じて理論の深化が期待される。また、那須や富田が展開している磁場下の秩序相の理論解析も、今後の高磁場測定と連動することで大きな進展が見込まれる。これらの連携を促進するために、領域内外の研究者を交えたセミナーや共同研究の場を継続的に設けることが効果的である。
次に、数値シミュレーション手法の高度化も重要な課題である。笠松が用いている機械学習ポテンシャルによる構造相転移の可視化は、他の材料系にも応用可能であり、今後は異なる結晶構造やスピン秩序を持つ系への展開が期待される。さらに、強相関電子系における高精度な理論解析には、量子モンテカルロ法やテンソルネットワークといった先端的な手法の導入も有望である。これにより、多体効果や動的な磁場応答の予測精度が大幅に向上する。
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