少数電子・ホール系物質の励起子凝縮状態と超伝導に関する微視理論の展開

• Project/Area Number: 13J02070
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: 物性Ⅱ(磁性・金属・低温)(理論)
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 金子 竜也 千葉大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 励起子絶縁体 / 強相関電子系 / 遷移金属カルコゲナイド / 変分クラスター近似 / 自己エネルギー汎関数理論 / BCS-BECクロスオーバー / 厳密対角化法

Outline of Annual Research Achievements

本研究は励起子絶縁体状態（励起子相）の理論を構築することを目的にしている。今年度は励起子相に対する電子-格子相互作用の効果、及び励起子絶縁体状態における電荷・スピン密度の分布を調べた。また、物質に則して、候補物質であるTa2NiSe5における量子干渉効果や超伝導を発現する高圧下における電子構造なども調べた。詳細は以下の1-4に示す。
１．励起子相に対する電子-格子相互作用の効果を変分クラスター近似等を用いて調べた。その結果、電子-格子相互作用が働くと、バンド間クーロン相互作用と協力し合いスピン一重項励起子相を安定化させるが、秩序変数の位相が固定してしまい、固体中の基底状態としては励起子凝縮による超流動性などは難くなることを示唆した。
２．励起子相のより現実的な実空間的描像を明示すために、局所的な原子軌道を考慮した強束縛近似に基づく電荷・スピン密度分布を評価した。その結果、原子軌道の形状や空間的な配置によって多極子的な秩序やボンド秩序が実現することを示唆した。
３．励起子絶縁体の候補物質であるTa2NiSe5の実験結果を理論的に説明するために、有効模型である三本鎖Hubbard模型において様々な物理量の温度依存性を評価した。具体的には励起子秩序状態における超音波吸収率、核磁気共鳴緩和率、比熱や弾性定数の温度依存性を計算し、それらのほとんどが定性的には実験と整合した結果となることを示した。
４．超伝導を示すTa2NiSe5の高圧下の結晶構造に対し密度汎関数理論に基づく電子構造計算を実施した。その結果、物性に有効な電子構造は常圧と変わらない擬一次元構造が重要であり、構造相転移後の低温秩序相においても励起子相が実現できることを示した。これら結果は励起子相の消失が超伝導発現に寄与している可能性を示唆している。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Ernst Moritz Arndt University Greifswald(ドイツ)
• [Journal Article] Microscopic quantum interference in excitonic condensation of Ta2NiSe5 (2016)
  • Author(s): K. Sugimoto, T. Kaneko, and Y. Ohta
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 93 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physrevb.93.041105
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Competition between excitonic charge and spin density waves: Influence of electron-phonon and Hund's rule couplings (2015)
  • Author(s): T. Kaneko, B. Zenker, H. Fehske, and Y. Ohta
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 92 Issue: 11
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.115106
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Metal-insulator transition of Dirac Fermions: Variational cluster study (2015)
  • Author(s): M. Ebato, T. Kaneko, and Y. Ohta
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 84 Issue: 4 Pages: 044714-044714
  • DOI: 10.7566/jpsj.84.044714
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Excitonic phases in the two-orbital Hubbard model: Roles of Hund’s rule coupling (2015)
  • Author(s): T. Kaneko and Y. Ohta
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 592 Pages: 012096-012096
  • DOI: 10.1088/1742-6596/592/1/012096
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Dimensional crossover of the superfluid state in the attractive Hubbard model (2015)
  • Author(s): N. Ogawa, T. Kaneko and Y. Ohta
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 592 Pages: 012103-012103
  • DOI: 10.1088/1742-6596/592/1/012103
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Frustration and magnetic orderings in the square-lattice Hubbard model with anisotropic next-nearest-neighbor hopping (2015)
  • Author(s): K. Misumi, T. Kaneko, and Y. Ohta
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 592 Pages: 012113-012113
  • DOI: 10.1088/1742-6596/592/1/012113
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Excitonic Bose-Einstein condensation in Ta2NiSe5 above room temperature (2014)
  • Author(s): K. Seki, Y. Wakisaka, T. Kaneko, T. Toriyama, T. Konishi, T. Sudayama, N. L. Saini, M. Arita, H. Namatame, M. Taniguchi, N. Katayama, M. Nohara, H. Takagi, T. Mizokawa, and Y. Ohta
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 90 Issue: 15 Pages: 155116-155116
  • DOI: 10.1103/physrevb.90.155116
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Roles of Hund’s rule coupling in excitonic density wave states (2014)
  • Author(s): T. Kaneko and Y. Ohta
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 90 Issue: 24
  • DOI: 10.1103/physrevb.90.245144
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Excitonic BCS-BEC crossover in double-layer systems (2014)
  • Author(s): T. Kaneko, S. Ejima, H. Fehske, and Y. Ohta
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 3
  • DOI: 10.7566/jpscp.3.017006
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Order, criticality and excitations in the extended Falicov-Kimball Model (2014)
  • Author(s): S. Ejima, T. Kaneko, Y. Ohta, H. Fehske
  • Journal Title: Physical Review Letter Volume: 112 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physrevlett.112.026401
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] BCS-BEC crossover in the two-dimensional attractive Hubbard model : Variational cluster approach (2014)
  • Author(s): T. Kaneko, Y. Ohta
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 83 Issue: 2 Pages: 024711-024711
  • DOI: 10.7566/jpsj.83.024711
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exact-diagonalization study of exciton condensation in electron bilayers (2013)
  • Author(s): T. Kaneko, S. Ejima, H. Fehske, Y. Ohta
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 88 Issue: 3
  • DOI: 10.1103/physrevb.88.035312
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 励起子絶縁体の電荷・スピン密度分布 (2016)
  • Author(s): 金子竜也、西田尚央、濱田晃輔、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2016年年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 泉キャンパス (宮城県仙台市)
  • Year and Date: 2016-03-21
• [Presentation] 多バンドHubbard模型における励起子相の理論的研究 (2015)
  • Author(s): 金子竜也、Bernd Zenker、Holger Fehske、太田幸則
  • Organizer: 低次元電子系におけるエキシトニック相の新展開
  • Place of Presentation: 東京大学物性研究所 (千葉県柏市)
  • Year and Date: 2015-11-26
• [Presentation] 励起子相に対する電子-格子相互作用の寄与 (2015)
  • Author(s): 金子竜也、Bernd Zenker、Holger Fehske、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学 千里山キャンパス (大阪府吹田市)
  • Year and Date: 2015-09-19
• [Presentation] 電荷移動型モット絶縁体における励起子相の可能性 (2015)
  • Author(s): 濱田晃輔、金子竜也、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学 千里山キャンパス (大阪府吹田市)
  • Year and Date: 2015-09-19
• [Presentation] フラストレートしたハニカム格子ハバード模型における金属絶縁体転移 (2015)
  • Author(s): 西田尚央、三角一真、金子竜也、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学 千里山キャンパス (大阪府吹田市)
  • Year and Date: 2015-09-19
• [Presentation] 励起子絶縁体Ta2NiSe5におけるコヒーレンスピーク (2015)
  • Author(s): 杉本高大、金子竜也、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学 千里山キャンパス (大阪府吹田市)
  • Year and Date: 2015-09-17
• [Presentation] 三角格子ハバード模型の金属絶縁体転移: 次近接ホッピングの効果 (2015)
  • Author(s): 三角一真、金子竜也、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学 千里山キャンパス (大阪府吹田市)
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Excitonic phases in the two-band Hubbard model with electron-phonon coupling (2015)
  • Author(s): T. Kaneko, Y. Ohta
  • Organizer: International Conference on Magnetism
  • Place of Presentation: Barcelona (Spain)
  • Year and Date: 2015-07-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum disordered phase in the frustrated honeycomb Hubbard model (2015)
  • Author(s): H. Nishida, K. Misumi, T. Kaneko, Y. Ohta
  • Organizer: International Conference on Magnetism
  • Place of Presentation: Barcelona (Spain)
  • Year and Date: 2015-07-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum disordered phase in the triangular-lattice Hubbard model with next-nearest-neighbor hopping (2015)
  • Author(s): K. Misumi, T. Kaneko, Y. Ohta
  • Organizer: International Conference on Magnetism
  • Place of Presentation: Barcelona (Spain)
  • Year and Date: 2015-07-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Excitonic condensation and superconductivity in Ta2NiSe5 (2015)
  • Author(s): Y. Ohta, T. Kaneko, K. Seki, T. Toriyama, T. Konishi
  • Organizer: International Conference on Magnetism
  • Place of Presentation: Barcelona (Spain)
  • Year and Date: 2015-07-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] π-flux Hubbard模型の金属絶縁体転移：変分クラスター近似による研究 (2015)
  • Author(s): 繪鳩眞輝、金子竜也、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2015年年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学（東京）
  • Year and Date: 2015-03-22
• [Presentation] 異方的次近接正方格子ハバード模型の磁気相図 (2015)
  • Author(s): 三角一真、金子竜也、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2015年年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学（東京）
  • Year and Date: 2015-03-22
• [Presentation] 2次元光格子中の3成分系フェルミ原子系における超流動状態 (2015)
  • Author(s): 蓮沼匠、金子竜也、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2015年年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学（東京）
  • Year and Date: 2015-03-22
• [Presentation] Ta2NiSe5の高圧下電子状態 (2015)
  • Author(s): 金子竜也、鳥山達矢、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2015年年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学（東京）
  • Year and Date: 2015-03-21
• [Presentation] t1-t2-t3 Hubbard模型のフラストレーションと磁気秩序：変分クラスター近似による解析 (2014)
  • Author(s): 三角一真、金子竜也、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学（愛知）
  • Year and Date: 2014-09-10
• [Presentation] 励起子密度波状態の安定性に関する理論的研究 (2014)
  • Author(s): 金子竜也、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学（愛知）
  • Year and Date: 2014-09-10
• [Presentation] Hofstadter模型に対する電子相関効果 (2014)
  • Author(s): 宮腰祥平、金子竜也、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学（愛知）
  • Year and Date: 2014-09-08
• [Presentation] 引力Hubbard模型における超流動状態の次元クロスオーバー (2014)
  • Author(s): 小川直輝、金子竜也、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学（愛知）
  • Year and Date: 2014-09-08
• [Presentation] 2次元光格子中の3成分系フェルミ原子系におけるスタッガード秩序状態 (2014)
  • Author(s): 蓮沼匠、金子竜也、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学（愛知）
  • Year and Date: 2014-09-07
• [Presentation] Dimensional crossover of the superfluid state in the attractive Hubbard model (2014)
  • Author(s): N. Ogawa, T. Kaneko, Y. Ohta
  • Organizer: International Conference on Strong Correlated Electron Systems (SCES2014)
  • Place of Presentation: University Campus in Saint Martin d’Heres （Grenoble, France）
  • Year and Date: 2014-07-09
• [Presentation] Excitonic Phases in the multi-orbital Hubbard model (2014)
  • Author(s): T. Kaneko, Y. Ohta
  • Organizer: International Conference on Strong Correlated Electron Systems (SCES2014)
  • Place of Presentation: University Campus in Saint Martin d’Heres （Grenoble, France）
  • Year and Date: 2014-07-09
• [Presentation] hree-component fermionic atoms in optical lattices: Variational cluster study (2014)
  • Author(s): T. Hasunuma, T. Kaneko, Y. Ohta
  • Organizer: International Conference on Strong Correlated Electron Systems (SCES2014)
  • Place of Presentation: University Campus in Saint Martin d’Heres （Grenoble, France）
  • Year and Date: 2014-07-09
• [Presentation] Frustration and magnetic orderings in the triangular-lattice Hubbard model with next-nearest-neighbor hopping (2014)
  • Author(s): K. Misumi, T. Kaneko, Y. Ohta
  • Organizer: International Conference on Strong Correlated Electron Systems (SCES2014)
  • Place of Presentation: University Campus in Saint Martin d’Heres （Grenoble, France）
  • Year and Date: 2014-07-08
• [Presentation] Excitonic density wave states in the multi-orbital Hubbard model (2014)
  • Author(s): T. Kaneko, Y. Ohta
  • Organizer: Novel Quantum Materials and Phases (NQMP 2014)
  • Place of Presentation: Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University （Okinawa, Japan）
  • Year and Date: 2014-05-14
• [Presentation] 二軌道模型におけるExcitonic CDW・SDWの安定性 (2014)
  • Author(s): 金子竜也、 太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2014年年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学(神奈川県平塚市)
  • Year and Date: 2014-03-27
• [Presentation] CDIAを用いた金属絶縁体転移の研究 (2013)
  • Author(s): 繪鳩眞輝、金子竜也、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島大学(徳島県徳島市)
  • Year and Date: 2013-09-26
• [Presentation] 変分クラスター近似を用いたBCS-BECクロスオーバーの研究 (2013)
  • Author(s): 金子竜也、太田幸則
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島大学(徳島県徳島市)
  • Year and Date: 2013-09-25
• [Presentation] Excitonic BCS-BEC crossover in the 2D lattice models (2013)
  • Author(s): T. Kaneko, S. Ejima, H. Fehske, Y. Ohta
  • Organizer: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES2013)
  • Place of Presentation: University of Tokyo (東京都文京区)
  • Year and Date: 2013-08-07