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Microscopic theory for nonequilibrium steady states of Mott insulators

Research Project

Project/Area Number 20K14407
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

北村 想太  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (40848553)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords非平衡 / 強相関系 / 超伝導 / トポロジー
Outline of Research at the Start

ルテニウム酸化物等の電子相関の強い絶縁体において、定常電流が流れる非平衡定常状態のもとで新奇な非平衡現象が実験的に観測されている。しかし、その微視的なメカニズムや背後にある物理は理論的には全く未解明である。
本研究ではこの問題に微視的理論からアプローチし、現象の本質を明らかにすることによって、より広い物質群に応用可能な、非平衡量子系に特有な物性・現象の開拓のための指導原理の構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、微視的理論に基づいて、モット絶縁体が非平衡定常状態におかれたときに生じる様々な物性を明らかにすることを目指している。
今年度は、(1)強い直流電場による絶縁破壊現象の量子マスター方程式に基づく定式化と(2)円偏光レーザーの照射によるドープされたモット絶縁体系でのトポロジカル超伝導状態の数値シミュレーションの研究に主に取り組んできた。
(1)絶縁体において直流電場を印加した際には、非摂動的な効果によって絶縁破壊が起こり、大きな電流が流れる。絶縁破壊状態における電子の非平衡分布を決定するための方法論として、量子マスター方程式を用いた定式化に今年度は取り組んできた。
量子マスター方程式の最も簡便な扱いとして緩和時間近似(もしくは半導体ブロッホ方程式)と呼ばれるものが広く用いられているが、絶縁体の直流伝導現象にこの手法を適用すると、多バンド効果によって弱い電場を印加しただけでも非物理的な電流が生じてしまう致命的な問題があることを数値計算・解析計算の両面から明らかにした。我々は微視的な量子マスター方程式に立ち戻って緩和時間近似に対する補正を導出することで、計算量をほとんど変えずにこの問題を解消する緩和項の導入方法を提唱した。この成果は論文にまとめ、現在投稿中である。
(2)過年度の研究で、円偏光の照射によってハバード模型に時間反転対称性の破れた相互作用を導入することができ、それによりd波超伝導がトポロジカル超伝導へと変調されることを見出してきた。今年度は、前理論提案の理論手法ではアプローチできない低周波数帯の光を照射した場合の超伝導体のダイナミクスの数値シミュレーションに取り組んだ。超伝導ギャップ関数を自己無撞着に決定しながら円偏光レーザー中の電子の時間発展を計算し、低周波領域においてもトポロジカル超伝導が発現することを明らかにした。今年度はこの成果を論文にまとめ出版した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

前年度から進めてきた研究課題が順調に進展し、論文2編にまとめることができた。
緩和時間近似という既存の広く用いられている方法論で深刻な問題が発生することを突き止めたことは予想外の成果であったが、絶縁破壊現象の理解を深めるのみならず、より広く非平衡状態における物性を理論的に調べる上で役に立つ重要な結果であると考えている。

Strategy for Future Research Activity

(1)については、外場を非摂動論に取り扱う計算手法の整備が進んだことを受けて、この手法を応用した非相反伝導現象の解析に取り組み始めているところである。特に、強い電場中の電子に特有な現象であるブロッホ振動における幾何学位相効果に着目した解析が進行中である。
また、並行して交流電場に対する非摂動的な応答の理論的な定式化にも取り組み始めている。

(2)については、銅酸化物以外の様々な超伝導体に今回の理論提案で用いた機構が応用できないか検討していく予定である。

Report

(4 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (50 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (9 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 3 results) Presentation (41 results) (of which Int'l Joint Research: 21 results,  Invited: 6 results)

  • [Journal Article] Time-dependent Gutzwiller simulation of Floquet topological superconductivity2024

    • Author(s)
      Anan Takahiro、Morimoto Takahiro、Kitamura Sota
    • Journal Title

      Communications Physics

      Volume: 7 Issue: 1 Pages: 99-99

    • DOI

      10.1038/s42005-024-01586-w

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Photocurrent Induced by a Bicircular Light Drive in Centrosymmetric Systems2023

    • Author(s)
      Ikeda Yuya、Kitamura Sota、Morimoto Takahiro
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 131 Issue: 9 Pages: 096301-096301

    • DOI

      10.1103/physrevlett.131.096301

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Nonlinear spin current of photoexcited magnons in collinear antiferromagnets2023

    • Author(s)
      Fujiwara Kosuke、Kitamura Sota、Morimoto Takahiro
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 107 Issue: 6 Pages: 064403-064403

    • DOI

      10.1103/physrevb.107.064403

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 周期駆動量子系の物理2023

    • Author(s)
      北村 想太
    • Journal Title

      Condensed Matter Physics Summer School Lectrure Notes

      Volume: 1 Issue: 0 Pages: 81-151

    • DOI

      10.57393/natsugaku.1.0_81

    • ISSN
      2758-2159
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      2022 Research-status Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Thermal Hall responses in frustrated honeycomb spin systems2022

    • Author(s)
      Fujiwara Kosuke、Kitamura Sota、Morimoto Takahiro
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 106 Issue: 3 Pages: 035113-035113

    • DOI

      10.1103/physrevb.106.035113

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      2022 Research-status Report
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  • [Journal Article] Floquet topological superconductivity induced by chiral many-body interaction2022

    • Author(s)
      Kitamura Sota、Aoki Hideo
    • Journal Title

      Communications Physics

      Volume: 5 Issue: 1 Pages: 174-174

    • DOI

      10.1038/s42005-022-00936-w

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Electric polarization and nonlinear optical effects in noncentrosymmetric magnets2021

    • Author(s)
      Morimoto Takahiro、Kitamura Sota、Okumura Shun
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 104 Issue: 7 Pages: 075139-075139

    • DOI

      10.1103/physrevb.104.075139

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      2021 Research-status Report
  • [Journal Article] Floquet engineering of electric polarization with two-frequency drive2021

    • Author(s)
      Ikeda Yuya、Kitamura Sota、Morimoto Takahiro
    • Journal Title

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      Volume: 2022 Issue: 4

    • DOI

      10.1093/ptep/ptab127

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      2021 Research-status Report
  • [Journal Article] Current response of nonequilibrium steady states in the Landau-Zener problem: Nonequilibrium Green's function approach2020

    • Author(s)
      Kitamura Sota、Nagaosa Naoto、Morimoto Takahiro
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 102 Issue: 24 Pages: 245141-245141

    • DOI

      10.1103/physrevb.102.245141

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      2020 Research-status Report
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  • [Presentation] Bloch-Zener oscillationの散逸効果と幾何学効果2024

    • Author(s)
      寺田伊吹、北村想太、渡部洋、池田浩章
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      日本物理学会2024年春季大会
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  • [Presentation] Floquet topological superconductivity induced by chiral many-body interactions2024

    • Author(s)
      Sota Kitamura、Hideo Aoki
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      Ultrafast Phenomena in Cooperative Systems Gordon Research Conference (GRC)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Floquet topological superconductivity induced by chiral many-body interaction2024

    • Author(s)
      Sota Kitamura、Hideo Aoki
    • Organizer
      American Physical Society March meeting 2024
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Time-dependent Gutzwiller simulation of Floquet topological superconductivity2024

    • Author(s)
      Takahiro Anan、Takahiro Morimoto、Sota Kitamura
    • Organizer
      American Physical Society March meeting 2024
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Efficient momentum space approach to superconductivity in quasiperiodic systems2024

    • Author(s)
      Mao Yoshii、Sota Kitamura、Takahiro Morimoto
    • Organizer
      American Physical Society March meeting 2024
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Time-dependent Gutzwiller simulation of Floquet topological superconductivity2024

    • Author(s)
      Takahiro Anan、Takahiro Morimoto、Sota Kitamura
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Electronics 2024
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ランダウ・ゼナートンネリングによる非線形伝導の理論:非対称バンドへの応用2023

    • Author(s)
      寺田伊吹、北村想太、渡部洋、池田浩章
    • Organizer
      「アシンメトリ量子」キックオフミーティング
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  • [Presentation] ランダウ・ゼナートンネリングによる非線形伝導の理論2023

    • Author(s)
      寺田伊吹、北村想太、渡部洋、池田浩章
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      日本物理学会第78回年次大会
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  • [Presentation] Nonlinear transport via the Landau-Zener tunneling : Simulating the electron dynamics of the two-band insulator coupling to the fermionic reservoir2023

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      Ibuki Terada、Sota Kitamura、Hiroshi Watanabe、Hiroaki Ikeda
    • Organizer
      Physics of Open Systems and Beyond
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子マスター方程式における線形伝導の問題とその改良2023

    • Author(s)
      寺田伊吹、北村想太、渡部洋、池田浩章
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      第17回物性科学領域横断研究会 凝縮系科学の最前線
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Floquet topological d+id superconductivity in the doped Hubbard model2023

    • Author(s)
      Sota Kitamura、Hideo Aoki
    • Organizer
      X International Symposium Ultrafast Dynamics & Ultrafast Bandgap Photonics 2023
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Nonreciprocal Landau-Zener Tunneling and Current Response2023

    • Author(s)
      Sota Kitamura、Naoto Nagaosa、Takahiro Morimoto
    • Organizer
      International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 強相関効果を用いた光誘起トポロジカル超伝導の理論2023

    • Author(s)
      北村想太、青木秀夫
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
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  • [Presentation] 反強磁性絶縁体における光誘起マグノンスピンシフト電流の研究2023

    • Author(s)
      藤原孝輔、北村想太、森本高裕
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      日本物理学会第78回年次大会
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  • [Presentation] 空間反転対称性を有した系における二周期外場駆動による光電流誘起2023

    • Author(s)
      池田侑哉、北村想太、森本高裕
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      日本物理学会第78回年次大会
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  • [Presentation] 円偏光誘起トポロジカル超伝導の時間発展シミュレーション2023

    • Author(s)
      阿南宇紘、森本高裕、北村想太
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      日本物理学会第78回年次大会
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      Kosuke Fujiwara, Sota Kitamura, Takahiro Morimoto
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      APS March Meeting 2023
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      Yuya Ikeda
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      APS March Meeting 2023
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  • [Presentation] 非平衡強相関系のフロッケ・トポロジカル超伝導2022

    • Author(s)
      北村 想太
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      基研研究会「非自明な電子状態で発現する超伝導現象の新しい潮流」
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    • Invited
  • [Presentation] Floquet topological superconductivity induced by chiral many-body interactions2022

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      Sota Kitamura, Hideo Aoki
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  • [Presentation] Floquet topological superconductivity induced by chiral many-body interactions2022

    • Author(s)
      Sota Kitamura, Hideo Aoki
    • Organizer
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  • [Presentation] フラストレーションのあるハニカム格子におけるマグノンの熱ホール効果2022

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      藤原孝輔, 北村想太, 森本高裕
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      池田侑哉, 北村想太, 森本高裕
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      寺田伊吹, 北村想太, 渡部洋, 池田浩章
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  • [Presentation] 周期駆動量子系の物理2022

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      北村想太
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      Kosuke Fujiwara, Sota Kitamura, Takahiro Morimoto
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      the 29th International Conference on Low Temperature Physics
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      Kosuke Fujiwara, Sota Kitamura, Takahiro Morimoto
    • Organizer
      Novel Quantum States in Condensed Matter 2022
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      Sota Kitamura, Hideo Aoki
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      Kosuke Fujiwara, Sota Kitamura, Takahiro Morimoto
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  • [Presentation] Floquet engineering of electric polarization with two-frequency drive2022

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      Yuya Ikeda, Sota Kitamura, Takahiro Morimoto
    • Organizer
      APS March Meeting 2022
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  • [Presentation] Nonreciprocal transport in noncentrosymmetric insulators2022

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      Sota Kitamura
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  • [Presentation] 二周期外場に駆動された系における分極制御の理論2021

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      池田侑哉, 北村想太, 森本高裕
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  • [Presentation] ファン・デル・ワールスヘテロ接合系での二次高調波発生の理論2021

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      吉井真央, Yu Dong, 北村想太, 豊田新悟, 中川裕治, 森本高裕, 小川直毅, 井手上敏也, 岩佐義宏
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      日本物理学会秋季大会
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  • [Presentation] 強相関効果を用いたトポロジカル超伝導のフロッケ・エンジニアリング2021

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      北村想太
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      開放系トポロジーの探求
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  • [Presentation] Nonreciprocal transport in noncentrosymmetric insulators2021

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      Sota Kitamura
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      Tsung-Dao Lee Institute Youth Forum for Physics 2021
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  • [Presentation] 非平衡定常状態におけるトンネル電流の理論と非相反応答への応用2021

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      北村想太、永長直人、森本高裕
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  • [Presentation] Theoretical study of nonlinear optical responses of non-centrosymmetric Mott insulators2021

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      Sota Kitamura, Naoto Nagaosa, Takahiro Morimoto
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      北村想太、永長直人、森本高裕
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      西澤広貴、北村想太、森本高裕
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      日本物理学会2020年秋季大会
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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-12-25  

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