A study of both materials and phenomena with strong spin-orbit-interaction based on topology concept and an application of them to spintronics devices

2018 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 16K04872
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Nanostructural physics
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Kondo Kenji 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (50360946)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 植村 哲也 北海道大学, 情報科学研究科, 教授 (20344476)
• Project Period (FY): 2016-10-21 – 2019-03-31
• Keywords: トポロジカル絶縁体 / 非可換ゲージ場 / スピントロニクス / 第一原理計算

Outline of Final Research Achievements

Many researchers have investigated quantum spin Hall effects（QSH） in honeycomb-materials like graphenes. However, they performed a calculation of electronic structures of QSH phase under the open boundary conditions, assuming that the shapes at the open boundaries (edges) are zigzag-type. This is because there exists a small gap at Fermi-level when you examine electronics structures of QSH phase of nanoribbons with armchair-type edges in detail. This fact suggests that the bulk-edge correspondence seems to be broken.
Generally, the QSH phase in bulk materials matches the QSH phase in nanoribbons according to the bulk-edge correspondence. However, we have found that the QSH phase in nanoribbons does not match the QSH phase in bulk materials with decreasing the widths.

Free Research Field

スピントロニクス、物性理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ハニカム構造のジグザグ型のリボンとアームチェア型のリボンではQSH相に転移する条件が明らかに違い、ジグザグ型は、ほぼバルクでの計算と一致するがアームチェア型では、その幅が薄いほど、バルクの条件とは異なっている。このことはバルク・エッジ対応という原理はエッジの形状に影響されることを意味しており、基礎物理学的にとても重要である。また、実際にスピン素子を作製する時に、ナノリボンを使ったQSH効果を利用することを考えた場合、バルクでのQSH効果発現の条件は適用できないので、改めて、ナノリボン形状で計算しなくてはいけない事が分かった。この結果は産業上もスピン素子の性能を根本的に左右するので重要である。