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Theoretical study of novel topological electronic properties arising from the structure and molecular degree of freedom of high-dimensional molecular crystals

Research Project

Project/Area Number 23K03322
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
Research InstitutionNara Women's University

Principal Investigator

土射津 昌久  奈良女子大学, 自然科学系, 准教授 (70362225)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2026: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Keywords立体π共役系 / トポロジカル・フラットバンド / フタロシアニン分子性結晶 / トポロジカル電子物性 / 高次元分子性結晶 / 分子内自由度 / 強相関効果
Outline of Research at the Start

本研究の目的は,従来の分子性結晶よりも高い対称性をもつ分子性結晶に注目し、「高次元分子性結晶の構造」と「多彩な分子内自由度」に起因する新規トポロジカル電子物性を理論的に解明することにある。近年、π軌道が立体的な構造をもつ2次元・3次元分子性結晶の合成・物性測定研究の進展により、分子系特有の新たなトポロジカル電子物性の創発が期待されている。実験グループとの緊密な研究討論・共同研究を通して実験グループへのフィードバックを行い、有効かつ効率的に新規電子機能性の開拓を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、3回対称性をもち立体的にπ共役系を有するトリプチセン誘導体の2次元結晶の電子状態の解析を行なった。特に、トリプチセン誘導体の3角格子構造に着目し、トポロジカル電子物性の理論予測を行なった。分子の3回対称性と分子間結合の3回対称性に起因する量子干渉効果により、フラットバンドが出現する。ここにKane-Mele型のスピン軌道相互作用を考慮すると、たとえ弱いスピン軌道相互作用であってもフラットバンドのチャーン数が有限となり、トポロジカル・フラットバンドとなることが分かった。そこで、トリプチセン誘導体においてスピン軌道相互作用を考慮した多軌道モデルからLUMOに対する有効モデルを導出し、Kane-Mele型のスピン軌道相互作用の大きさを評価した。さらに、2次元単層膜が基板上におかれた場合に生じる反転対称性の破れの効果も考慮し、特異なスピン分極が起こることを明らかにした。

また、フタロシアニン分子性結晶に注目し、中心遷移金属が異なるフタロシアニン分子の混晶系においては、局在スピンを介したπ伝導電子間の交換相互作用メカニズムが生じることで、フェリ磁性的な電荷秩序状態が出現することを見出し、実験で得られた混晶系の自発磁化および負の巨大磁気抵抗効果を説明できることを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

新規高次元分子性結晶、および多彩な分子内自由度による電子状態の解析、新規物性の理論予測に成功した。

Strategy for Future Research Activity

これまでの解析を発展させ、立体π共役分子系における新規物性の理論探索を行う。これと同時に、高次元強相関電子系を記述する特異モード汎関数くりこみ群法(SM-FRG)を発展させ、効率的に強相関効果を記述するための改良を行う計画である。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results)

  • [Int'l Joint Research] ストラスブール大学(フランス)

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    • Author(s)
      Mine Kosuke、Arae Sachie、Murakawa Hiroshi、Tsuchiizu Masahisa、Hanasaki Noriaki、Matsuda Masaki
    • Journal Title

      Chemical Communications

      Volume: 60 Issue: 22 Pages: 3019-3022

    • DOI

      10.1039/d3cc05948k

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    • Author(s)
      Shuku Yoshiaki、Suizu Rie、Nakano Saya、Tsuchiizu Masahisa、Awaga Kunio
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 107 Issue: 15 Pages: 155123-155123

    • DOI

      10.1103/physrevb.107.155123

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    • Author(s)
      Shuku Yoshiaki、Suizu Rie、Tsuchiizu Masahisa、Awaga Kunio
    • Journal Title

      Chemical Communications

      Volume: 59 Issue: 67 Pages: 10105-10108

    • DOI

      10.1039/d3cc02986g

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    • Author(s)
      Ishii Ryuta、Uejo Misato、Watari Erina、Ikeda Mitsuo、Murakawa Hiroshi、Sakai Hideaki、Matsuda Masaki、Yoshioka Hideo、Tsuchiizu Masahisa、Hanasaki Noriaki
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 108 Issue: 20 Pages: 205114-205114

    • DOI

      10.1103/physrevb.108.205114

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      APS March Meeting 2024
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      山口明, 池田祥貴, 住川舜, 高村一輝, 山根悠, 住山昭彦, 小澤芳樹, 阿部正明, Liviu Ungur, 岩原直 也, 梅村真由美, 土射津昌久
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      日本物理学会 第78回年次大会
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      中野沙耶,土射津昌久
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      日本物理学会 第78回年次大会
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      R. Nemoto, S. Nakano, N. Takagi, M. Tsuchiizu, R. Arafune, R. Suizu, T. Uchihashi, K. Awaga
    • Organizer
      Annual Meeting of the Japan Society of Vacuum and Surface Science 2023 JVSS2023
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  • [Presentation] Ferrimagnetic charge ordering in molecular conductor TPP[M(Pc)(CN)2]22023

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      M. Tsuchiizu
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      14th Japan-China Joint Symposium on Conduction and Photoconduction in Organic Solids and Related Phenomena
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2023-04-13   Modified: 2024-12-25  

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