2019 Fiscal Year Annual Research Report

Theory on the generation and control of novel quantum wave packets via topological interfaces

Research Project

Project/Area Number	16K05467
Research Institution	Akita University
Principal Investigator	小野田勝秋田大学, 理工学研究科, 教授 (80425727)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2020-03-31
Keywords	トロイダル量子波束 / ヘリカル表面状態 / トポロジカル物質・媒質 / 格子模型列
Outline of Annual Research Achievements	ヘリカル表面/界面状態とはスピンなどの内部自由度が軌道運動と強く結合した特殊な状態であり、高いスピン選択性を活かしたスピン制御への応用や、さらに高次の応用として量子情報技術などへの展開も期待されている。また、周期系におけるエネルギー・バンド構造の発現と同様に、その発現機構は電子系以外（光子系など）においても同様に機能するという一般性をもつ。本研究では、このような表面/界面を用いたトロイダル型渦構造をもつ量子波束の生成可能性やその伝搬特性について理論的に明らかにする。 3次元格子模型を用いた2次元界面近傍での波束シミュレーションを当初計画していたが導体との自然な界面が構成できなかったため、既に経験のあった2次元格子模型を用いた1次元境界のモデル化の知見を活かせるよう、2017年度から擬2次元系を対象とすることとした。弱いトポロジカル絶縁体相を含むよう模型を拡張し、2018年度は一方向に周期境界条件を課した平板状系の射影バンド構造と電荷・スピン密度分布について数値解析を行った。厚み方向の層数依存性に偶奇効果を見いだし、そのサイズ依存性から有限厚の弱いトポロジカル絶縁体に固有の特性を明らかにした。光子系について、周期構造中の光渦の伝搬特性およびトロイダル型渦構造をもつ電磁波束解の安定性に関する結果を論文にまとめた。2019年度は、格子模型の(001)表面及び(111)表面における解析解の構成法を元に(011)表面の解の構成を試みたが、現時点ではまだ成功していない。この過程で伝導電子スピン流の多様性を改めて認識し、環状配列した局在スピン系における位相幾何学的に非自明なスピン配向に対する伝導電子スピン流を用いた制御についてシミュレーションによる検証を行った。電流成分の効果も含め肯定的な結果が得られ、2019年度電気関係学会東北支部連合大会において発表を行った。