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トポロジカル場の理論による凝縮系の新規量子現象の探索

Publicly Offered Research

Project AreaTopological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmetries
Project/Area Number 23103516
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionNational Institute for Materials Science

Principal Investigator

田中 秋広  独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, 研究員 (10354143)

Project Period (FY) 2011-04-01 – 2013-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2012)
Budget Amount *help
¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2012: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2011: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Keywordsトポロジカル項 / 弾性理論 / 転位欠陥 / 3次元量子ホール系 / トポロジカル絶縁体 / ワイル半金属 / ベリー位相 / 物性基礎論 / トポロジカル場の理論 / リーマン・カルタン時空
Outline of Annual Research Achievements

本課題では、数学的特徴付け、統一的な定義、完全な分類(ボゾン系などを含めると)が未だ研究途上にある、「凝縮系のトポロジカル相」の普遍的な性質を、「トポロジカル場の理論」という観点からとらえることを目的とした。応募当初、物性論とのつながりが従来少なかった一般相対論の道具立て、すなわち時空計量の曲りへの応答という観点から、重力的なトポロジカル場の理論が新たな量子効果(主に熱揺らぎに関係した)を表すと予想されることから特に注目した。その直後から他グループでも、熱応答特性を「時空の曲率への応答」から調べる研究がみられるようになった。そこで、他グループで十分調べられていない「時空の捩じれ」への応答についての研究を中心に進めた。前年度までの数値的な研究などを踏まえ、当該年度はトポロジカル絶縁体のなかに導入した位相欠陥のつくる「時空の実効的捩じれ」を、弾性論における変位ベクトルを用いて記述し、その有効作用をトポロジカル項に特に注意して調べ、一定の成果を得た。まず時間反転対称性を破った三次元トポロジカル絶縁体は、二次元量子ホール系を層状に積層した系としてモデル化できるが、各層の変位を許すと、その特異点、すなわち位相欠陥の近傍でアクシオン項が生じることが分かった。同様に時間反転対称な場合は、欠陥の存在下で混合量子異常項と呼ばれるトポロジカル項が誘起されることを見出した。これらの結果は、位相欠陥のもとでのトポロジカル相の分類を行ったTeoとKaneの研究と整合するが、われわれの理論は応答特性と直結するため、これらのトポロジカル項に特有の電磁応答、熱応答が予言できる。なお位相欠陥の下でのトポロジカル相は現在、欠陥の非可換統計性のため注目を集めており、本研究の成果も、この方向に拡張することができると考えている。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2012 Annual Research Report
  • 2011 Annual Research Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2013 2012 2011 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results) Presentation (12 results) (of which Invited: 2 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Topological insulator and "nanotubes"2012

    • Author(s)
      K.-I. Imura, T. Takane, A. Tanaka
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 400 Issue: 4 Pages: 042021-042021

    • DOI

      10.1088/1742-6596/400/4/042021

    • Related Report
      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Photoinduced spin Chern number change in a two-dimensional quantum spin Hall insulator with broken spin rotational symmetry2012

    • Author(s)
      Jun-ichi Inoue, Akihiro Tanaka
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 85 Issue: 12

    • DOI

      10.1103/physrevb.85.125425

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Spin Berry phase in anisotropic topological insulators2011

    • Author(s)
      K.-I. Imura, Y. Takane, and A. Tanaka
    • Journal Title

      Phys. Rev

      Volume: 84 Issue: 19

    • DOI

      10.1103/physrevb.84.195406

    • NAID

      120005198252

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Weak topological insulator with protected gapless helical states2011

    • Author(s)
      K.-I. Imura, Y. Takane, and A. Tanaka
    • Journal Title

      Phys. Rev

      Volume: 84 Issue: 3

    • DOI

      10.1103/physrevb.84.035443

    • NAID

      120005198245

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Duality among competing orders in antiferromagnets and topological insulators : nonlinear sigma model approach2011

    • Author(s)
      Akihiro Tanaka
    • Journal Title

      Journal of Physics : Conference Series

      Volume: 320 Pages: 012020-012020

    • DOI

      10.1088/1742-6596/320/1/012020

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] トポロジカル絶縁体におけるアクシオン渦の電磁応答2013

    • Author(s)
      菊池徹
    • Organizer
      日本物理学会 春季大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      2013-03-26
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Massless axions: the Callan-Harvey effect revisited2013

    • Author(s)
      Toru Kikuchi
    • Organizer
      2013 American Physical Society Meeting
    • Place of Presentation
      Baltimore, USA
    • Year and Date
      2013-03-18
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Dislocations in topological phases of matter and theor topological terms2013

    • Author(s)
      Akihiro Tanaka
    • Organizer
      2013 American Physical Society Meeting
    • Place of Presentation
      Baltimore, USA
    • Year and Date
      2013-03-18
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Optical steering of topological properties of solids2013

    • Author(s)
      Akihiro Tanaka
    • Organizer
      Posetch IES special seminar
    • Place of Presentation
      Postech, Pohang, Korea
    • Year and Date
      2013-02-19
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Dislocation induced electronic states in topological insulators and related systems2013

    • Author(s)
      Akihiro Tanaka
    • Organizer
      Postech IES special seminar
    • Place of Presentation
      Poetsch, Pohang, Korea
    • Year and Date
      2013-02-19
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 欠陥のあるトポロジカル相と非線形シグマ模型の対応2012

    • Author(s)
      田中秋広
    • Organizer
      日本物理学会2012年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
    • Year and Date
      2012-09-18
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Axion Strings in topological insulators/spin systems2012

    • Author(s)
      Akihiro Tanaka
    • Organizer
      International conference on topological quantum phenomena
    • Place of Presentation
      名古屋大学
    • Year and Date
      2012-05-16
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] トポロジカル絶縁体・量子スピン系におけるaxion string2012

    • Author(s)
      田中秋広
    • Organizer
      日本物理学会第67回年次大会
    • Place of Presentation
      関西学院大学西宮上ヶ原キャンパス(兵庫県)
    • Year and Date
      2012-03-27
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Axion strings in topological insulators and quantum spin systems2012

    • Author(s)
      Akihiro Tanaka
    • Organizer
      March Meeting 2012 of the American Physical Society
    • Place of Presentation
      Boston Convention Center (Boston, USA)
    • Year and Date
      2012-03-02
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] トポロジカル絶縁体・量子スピン系におけるアクシオン・ストリング2011

    • Author(s)
      田中秋広
    • Organizer
      新学術領域「トポロジカル量子現象」第二回領域研究会
    • Place of Presentation
      岡山大学創立50周年記念館(岡山県)
    • Year and Date
      2011-12-19
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] トポロジカル量子効果による機能デザイン2011

    • Author(s)
      田中秋広
    • Organizer
      IMS-AIST (NRI)計測・計算シミュレーション合同ワークショップ
    • Place of Presentation
      産業技術総合研究所共用講堂(茨城県)(招待講演)
    • Year and Date
      2011-10-25
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] トポロジカル絶縁体-結晶の時空変形の効果2011

    • Author(s)
      田中秋広
    • Organizer
      日本物理学会2011年秋期大会
    • Place of Presentation
      富山大学五福キャンパス(富山)(招待講演)
    • Year and Date
      2011-09-22
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Remarks] NIMS Researcher Database SAMURAI

    • URL

      http://samurai.nims.go.jp/TANAKA_Akihiro-j.html

    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Remarks]

    • URL

      http://samurai.nims.go.jp/TANAKA_Akihiro-j.html

    • Related Report
      2011 Annual Research Report

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Published: 2011-04-06   Modified: 2018-03-28  

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