Theoretical study on doping-induced electronic states originating from spin-charge separation of strongly correlated insulators
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22K03477
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
河野 昌仙 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, 主席研究員 (40370308)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
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| Keywords | モット絶縁体 / 近藤絶縁体 / スピン電荷分離 / 電子状態 / 温度 / モット転移 / 強相関電子系 / スピンと電荷の分離 / 近藤格子系 / 密度行列繰り込み群法 |
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| Outline of Research at the Start |
通常のバンド絶縁体ではスピンや電荷を励起させるために必要なエネルギーはともにバンドギャップと等しく、スピンと電荷の励起は分離していない。これに対して、強相関絶縁体では電荷の励起エネルギーギャップよりも小さなエネルギー領域にスピンの励起状態が存在し、スピンと電荷の励起が分離している。このことは、ドーピングによって金属化したときの電子状態に顕著な影響を及ぼす。強相関絶縁体にドーピングを行うと、絶縁体のギャップ内にスピンの励起状態が電子状態として出現する。本研究では、このようなスピンと電荷の分離に関する顕著な強相関効果が、異なる軌道の混成を含むような一般的な場合にも現れることを理論的に明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
電子間相互作用が無視できるような通常の半導体などではバンド構造は温度によって変化しない。これに対し、モット絶縁体や近藤絶縁体などの強相関絶縁体では磁気励起状態に由来する電子状態が温度によってバンドギャップ内に誘起され、バンド構造が温度変化することを、選択則に基づく理論解析と数値計算によって明らかにした。これまでの自身の研究で、磁気励起を反映した電子状態がドーピングによってバンドギャップ内に誘起されることを理論・数値計算によって明らかにしてきたが、温度でも同様に電子状態が誘起されると考えて研究を行なった。電子励起の選択則を考察すると、絶対零度でなければ磁気励起状態が熱平衡状態に含まれ、磁気励起状態からの電子励起が、磁気励起の分散関係を無限小ドープのフェルミ波数だけずらした分散関係でバンド端から生じることを理論的に示すことができた。このことを踏まえ、モット絶縁体である1次元、2次元、および梯子格子のハバードモデルと近藤絶縁体である1次元周期アンダーソンモデルのハーフフィリングにおいて数値計算を行ない、選択則で予測された分散関係を示す電子状態が温度によって誘起されることを確認することができた。この特徴は、モット絶縁体や近藤絶縁体などの強相関絶縁体のスピンと電荷の分離に起因している。つまり、電荷励起のギャップよりも小さなエネルギー領域に磁気励起状態が存在するために、磁気励起状態が温度によって電子励起状態としてバンドギャップ内に出現する。この特徴は従来の自由電子描像に基づくバンド理論では説明できない電子相関の顕著な効果であり、強相関系では、従来の固定バンド描像から温度変化するバンド描像へと電子物性の根本的な考え方を見直す必要があることを示唆する。この研究成果は、論文[M. Kohno, Phys. Rev. B 108, 195116 (2023)]として発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
計画していた強相関絶縁体のドーピング誘起電子状態の研究は論文にまとめ、さらに温度誘起電子状態の研究にまで発展させた。
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| Strategy for Future Research Activity |
スピン電荷分離に起因する温度誘起電子状態について、スピンギャップがあるような場合についてもスペクトル強度が温度によって十分に発達するのかについて、具体的なモデルを用いて明らかにしたいと考えている。
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)
