2019 Fiscal Year Annual Research Report
Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases: From solid state physics to transdisciplinary concepts
Project/Area Number |
17H06138
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Research Institution | University of Tsukuba |
Principal Investigator |
初貝 安弘 筑波大学, 数理物質系, 教授 (80218495)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木村 昭夫 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 教授 (00272534)
福井 隆裕 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (10322009)
高橋 義朗 京都大学, 理学研究科, 教授 (40226907)
岩本 敏 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (40359667)
青木 秀夫 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 名誉教授 (50114351)
河原林 透 東邦大学, 理学部, 教授 (90251488)
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Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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Keywords | バルク・エッジ対応 / 冷却原子 / 放射光ARPES / フォトニック結晶 / 高次トポロジカル相 / コーナー状態 / 量子化ベリー位相 / 平坦バンド |
Outline of Annual Research Achievements |
高次トポロジカル相に関して独自の量子化ベリー位相と量子もつれの方法を用いて,電子系から古典系に至る多様な系で,バルク・エッジ対応を拡張したバルク・コーナー対応を確立しその普遍性を広く示した。また,第一原理電子構造計算による現実の物質における平坦バンドの起源を独自の分子軌道基底の方法で解明しバルク・コーナー対応を示した。また強相関電子系における高次トポロジカルモット絶縁体,磁場下の高次トポロジカル絶縁体を提案し,平方根トポロジカル相の概念や非エルミート系のトポロジカル相の理論など多彩な新概念の意義を確立した。 冷却原子について、トポロジーと乱れの非自明な現象を実験的に見出すことに成功した。乱れの存在によってはじめてサウレスポンプが誘起される現象を実験で確認した。これは固体物質で長年追求されてきたトポロジカルアンダーソン絶縁体の「空間+時間の1+1次元系」における現象であり,トポロジーと乱れに関する新分野の開拓である。また冷却原子の量子計量テンソルの測定にも成功した。 放射光ARPES実験に関して HfSiSやZrSiS等,非共型な空間群に属するディラック線ノード半金属のスピンテクスチャの直接的観測を行った。また層状反磁性体MnBi2Te4の表面状態を観測し,反強磁性トポロジカル絶縁体であることを実証した。また銅酸化物高温超伝導体の終端面に依存する電子状態の観測に成功し,今後の表面のアンドレーエフ束縛状態やトポロジカル表面状態の観測につながる成果を得た。 マイクロ波領域カイラルフォトニック結晶においてエッジ状態やWeyl点近傍での特異な電磁波の振る舞いを観測した。2次元フォトニック結晶におけるコーナー状態の観測にはじめて成功した。さらに、ライトラインより低周波数領域においてヘリカルエッジ状態を有する新たなトポロジカルフォトニック結晶構造を見出し、低損失光導波路への応用可能性を示した。
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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
理論的研究に関して,2011年に代表等が理論的に発案していた量子化ベリー位相が近年発見された高次トポロジカル相におけるバルクの不変量であることが確立し,広く用いられるようになった。また,強相関電子系における高次トポロジカルモット絶縁体の新概念を世界に先駈けて提案し,独自の量子化ベリー位相を用いてバルク・エッジ(コーナー)対応を確立することができた。 冷却原子に関して,乱れ誘起サウレスポンプの観測、光格子および光トラップ中での冷却原子の量子計量テンソルの測定、など当初の目標を超える研究の進展があった。 放射光ARPES実験に関して,MnBi2Te4が反強磁性トポロジカル絶縁体であることを世界で初めて実証した。(本成果は,Natureに12月に掲載され,プレス発表を行ったところ日経産業新聞に研究成果に関する記事が掲載された(2020年1月21日6面)。) ナノフォトニクスのプラットフォームにおけるコーナー状態の観測を世界に先駆けて報告したほか、想定外の成果として新たな2次元トポロジカルフォトニック結晶構造を見出すことができた。 以上の具体的な進展をもって,当初予定より進展していると自己評価する。
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Strategy for Future Research Activity |
トポロジカル相の研究を実験的に観測可能な問題へ還元することで,バルクエッジ対応が適用可能な現象を広く探索し概念を深化させ,バルクエッジ対応の普遍性の確立を目指す。より多様な量子/古典で,広義のエッジ状態を開拓し独自の理論で解析する。また,平坦バンドやディラック分散,電子相関,非エルミート系など未開拓な問での新しい展開も目指す。 冷却原子に関しては、乱れ誘起サウレスポンプの定量的な理解を進め,トポロジカル超流動では,巨大質量比の原子混合系による実験を進める。サイト分解可能な量子多体系ではスピン分解型の量子気体顕微鏡の開発を原子の内部自由度を利用する。さらに、光格子中の原子の量子計量テンソルの測定についても実験と理論の定量的な比較を行う。 放射光ARPES実験に関して,非共型な空間群に属する希土類化合物を主に,高輝度放射光やレーザー光を励起光源とした角度分解光電子分光や3次元スピン角度分解光電子分光装置を用い,バルクのディラックコーンやディラック線ノードに加え,表面バンド構造や特異な3次元スピン構造の直接観測を行なう。またバルク強磁性体におけるワイル点や,それらをつなぐエッジ状態を観測し,バルクエッジ対応を確立する。更に超伝導体表面のアンドレーエフ束縛状態やトポロジカル表面状態の観測も継続し奇周波数クーパー対形成や関連するバルクエッジ対応についての理解を深化させる。 フォトニック結晶実験に関してはマイクロ波帯で機能するカイラルフォトニック結晶に関する実験を継続し、バレーフォトニック結晶導波路とその光集積回路素子への応用を目指した研究を進める。また、バレーフォトニック結晶を用いた共振器構造など検討し、そのアクティブ光素子への応用可能性を検討する。さらに、理論グループとの定期的議論を継続し、フォトニック結晶におけるバルクエッジ対応を基礎とした新たな展開も探求する。
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Research Products
(241 results)
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[Journal Article] Response of bulk and topological states to the antiferromagnetic transition in MnBi2Te42020
Author(s)
D. A. Estyunin, I. I. Klimovskikh, A. M. Shikin, E. F. Schwier, M. M. Otrokov, A. Kimura, S. Kumar, S. O. Filnov, Z. S. Aliev, M. B. Babanly, E. V. Chulkov
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Journal Title
APL Materials
Volume: 8
Pages: 021105 (1-7)
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator2019
Author(s)
M. M. Otrokov, I. I. Klimovskikh, H. Bentmann, D. Estyunin, Z. S. Aliev, A. M. Shikin, E. F. Schwier, S. Kumar, A. Kimura, E. V. Chulkov, 他34名
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Journal Title
Nature
Volume: 576
Pages: 416-422
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Disentangling orbital and spin textures of surface-derived states in non-symmorphic semimetal HfSiS2019
Author(s)
Xiaoxiao Wang, Jiahua Chen, Mingtian Zheng, Tatiana V. Menshchikova, Igor P. Rusinov, Eike F. Schwier, Filip Orbanic, Shilong Wu, Kazuki Sumida, Tomoki Yoshikawa, Koji Miyamoto, Munisa Nurmamat, Taichi Okuda, Kenya Shimada, Mario Novak, Evgueni V. Chulkov, Akio Kimura
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 100
Pages: 205140 (1-7)
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Element-specific density of states of Co2MnGe revealed by resonant photoelectron spectroscopy2019
Author(s)
Takashi Kono, Masaaki Kakoki, Tomoki Yoshikawa, Xiaoxiao Wang, Kazuki Sumida, Koji Miyamoto, Takayuki Muro, Yukiharu Takeda, Yuji Saitoh, Kazuki Goto, Yuya Sakuraba, Kazuhiro Hono, Akio Kimura
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 100
Pages: 165120 (1-6)
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Magnetic-impurity-induced modifications to ultrafast carrier dynamics in the ferromagnetic topological insulators Sb2-xVxTe32019
Author(s)
K. Sumida, M. Kakoki, J. Reimann, M. Nurmamat, S. Goto, Y. Takeda, Y. Saitoh, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, J Guedde, U Hoefer, A. Kimura
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Journal Title
New J. Phys.
Volume: 21
Pages: 093006 (1-8)
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Highly anisotropic interlayer magnetoresitance in ZrSiS nodal-line Dirac semimetal2019
Author(s)
M. Novak, S. N. Zhang, F. Orbanic, N. Biliskov, G. Eguchi, A. Kimura, X. X. Wang, T. Osada, K. Uchida, M. Sato, O. V. Yazyev, Q. S. Wu, I. Kokanovic
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 100
Pages: 085137 (1-7)
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Negative Te spin polarization responsible for ferromagnetic order in the doped topological insulator V0.04(Sb1-xBix)1.96Te32019
Author(s)
M. Ye, T. Xu, G. Li, S. Qiao, Y. Takeda, Y. Saitoh, S.-Y. Zhu, M. Nurmamat, K. Sumida, Y. Ishida, S. Shin, A. Kimura
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Journal Title
Phys. Rev. B
Volume: 99
Pages: 144413 (1-7)
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Si置換した層状リン化カルコゲナイド超伝導体Zr(P1-x, Six)Seの硬X線光電子分光2020
Author(s)
石坂仁志, 田北仁志, 久保拓也, 宮下剛夫, Wumiti Mansuer, 木村昭夫, 島田賢也, 上田茂典, 鬼頭聖, 石田茂之, 岡邦彦, 後藤義人, 藤 久裕司, 吉田良行, 伊豫彰, 荻野拓, 永崎洋, 川島健司, 柳陽介, 井野明洋
Organizer
日本物理学会第75回年次大会
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[Presentation] 7Li-Yb mixture in mixed dimensions2019
Author(s)
F. Schaefer, N. Mizukami, S. Koibuchi, P. Yu, A. Bouscal, and Y. Takahashi
Organizer
Workshop on Quantum Mixtures and celebration of the 70th anniversary of Sandro Stringari
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Direct evidence of the type-II bulk Dirac cone in transition metal dichalcogenides2019
Author(s)
M. Nurmamat, T. Yoshikawa, X. X. Wang, H. Takemoto, S. Eremeev, J. H. Chen, M. Kakoki, T. Kono, T. Muro, K. Zhang, S. Kumar, E. Schwier, K. Miyamoto, T. Okuda, K. Shimada, A. Kimura
Organizer
The 19th International Conference on Solid Films and Surfaces (ICSFS19)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Spin-orbit coupling effect on bulk and surface states of the Dirac nodal line semimetal Hf1-xZrxSiS2019
Author(s)
X. X. Wang, J. H. Chen, M. T. Zheng, M. Novak, F. Orbanic, E. F. Schwier, S. L. Wu, K. Sumida, T. Yoshikawa, K. Miyamoto, M. Nurmamat, T. Okuda, K. Shimada, A. Kimura
Organizer
The 19th International Conference on Solid Films and Surfaces (ICSFS19)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Element-specific density of states of Co2MnGe revealed by resonant photoelectron spectroscopy2019
Author(s)
T. Kono, M. Kakoki, T. Yoshikawa, X. Wang, K. Sumida, K. Miyamoto, T. Muro, Y. Takeda, Y. Saitoh, K. Goto, Y. Sakuraba, K. Hono, A. Kimura
Organizer
The 19th International Conference on Solid Films and Surfaces (ICSFS19)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Unveiling spin-dependent unoccupied electronic states of Co2MnGe (Ga) film via Ge (Ga) L2,3 absorption spectroscopy2019
Author(s)
T. Yoshikawa, T. Kono, M. Kakoki, K. Sumida, K. Miyamoto, Y. Takeda,Y. Saitoh, K. Goto, Y. Sakuraba, K. Hono, A. Kimura
Organizer
The 19th International Conference on Solid Films and Surfaces (ICSFS19)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Exchange interaction in ferromagnetic topological insulator V-doped (Sb,Bi)2Te32019
Author(s)
Mao Ye, Tao Xu, Gang Li, Shan Qiao, Yukiharu Takeda, Yuji Saitoh, Siyuan Zhu, Munisa Nurmamat, Kazuki Sumida, Yukiaki Ishida, Shik Shin, Akio Kimura
Organizer
New Trends in Topological Insulators 2019 and Variety and universality of bulk-edge correspondence 2019 (NTTI 2019 and BEC 2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Topologically non-trivial phase-change compound GeSb2Te42019
Author(s)
Munisa Nurmamat, K. Okamoto, S. Y. Zhu, T. V. Menshchikova, I. P. Rusinov, Y. Ishida, K. Miyamoto, T. Okuda, T. Miyashita, X. X. Wang, K. Sumida, E. F. Schwier, M. Ye, Z. S. Aliev, M. B. Babanlyg, I. R. Amiraslanov, E. V. Chulkov, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, S. Shin, Akio Kimura
Organizer
New Trends in Topological Insulators 2019 and Variety and universality of bulk-edge correspondence 2019 (NTTI 2019 and BEC 2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Synchrotron radiation ARPES study of Dirac electron systems including rare earth elements2019
Author(s)
Tomoki Yoshikawa, Yuto Kitayama, Xiaoxiao Wang, Hideaki Iwasawa, Masaaki Kakoki, Takashi Kono, Hironoshin Oda, Shusuke, Ozawa, Shiv Kumar, Eike Schwier, Kenya Shimada, Takayuki Muro, Hiroshi Tanida, Akio Kimura
Organizer
New Trends in Topological Insulators 2019 and Variety and universality of bulk-edge correspondence 2019 (NTTI 2019 and BEC 2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Disentangling Orbital and Spin Textures in surface-derived states in non-symorphic crystal HfSiS2019
Author(s)
Xiaoxiao Wang, Jiahua Chen, Mingtian Zheng, Tatiana V. Menshchikova, Igor P. Rusinov, Eike F. Schwier, Filip Orbanic, Shilong Wu, Kazuki Sumida, Tomoki Yoshikawa, Koji Miyamoto, Munisa Nurmamat, Taichi Okuda, Kenya Shimada, Mario Novak, Evgueni Chulkov, Akio Kimura
Organizer
New Trends in Topological Insulators 2019 and Variety and universality of bulk-edge correspondence 2019 (NTTI 2019 and BEC 2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Direct evidence of the bulk Dirac cone in the transition metal dichalcogenides2019
Author(s)
Nurmamat Munisa, Wang Xiaoxiao, Takemoto Hiroko, Yoshikawa Tomoki, Chen Jiahua, Kakoki Masaaki, Kono Takashi, Zhang Ke, Kumar Shiv, Schwier Eike, Shimada Kenya, Miyamoto Koji, Okuda Taichi, Kimura Akio
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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[Presentation] Disentangling Orbital and Spin Textures in Dirac Nodal-Line Semimetal HfSiS2019
Author(s)
Xiaoxiao Wang, Jiahua Chen, Mingtian Zheng, Tatiana Menshchikova, Igor Rusinov, Eike Schwier, Filip Orbanic, Shilong Wu, Kazuki Sumida, Tomoki Yoshikawa, Koji Miyamoto, Munisa Nurmamat, Taichi Okuda, Kenya Shimada, Mario Novak, Evgueni Chulkov, Akio Kimura
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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[Presentation] 希土類元素を含むディラック電子系の放射光ARPES2019
Author(s)
吉川智己, 北山悠斗, Wang Xiaoxiao, 岩澤英明, 鹿子木将明, 河野嵩, 尾田拓之慎, 小澤秀介, Shiv Kumar, Eike Schwier, 島田賢也, 室隆桂之, 谷田博司, 木村昭夫
Organizer
日本物理学会2019年秋季大会
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[Presentation] Light Trapping in a Higher-Order Topological Corner State2019
Author(s)
Y. Ota, F. Liu, R. Katsumi, K. Watanabe, K. Wakabayashi, Y. Arakawa, and S. Iwamoto
Organizer
The 9th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence-Advanced Nanophotonics and Silicon Device Systems-(ISPEC2019), P-28, Tokyo, Japan, November (2019)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Observation of a topological corner state in a two-dimensional photonic crystal in the optical regime2019
Author(s)
Y. Ota, F. Liu, R. Katsumi, K. Watanabe, K. Wakabayashi, Y. Arakawa, and S. Iwamoto,
Organizer
International Workshop on New Trends in Topological Insulators 2019 & Variety and Universality of Bulk-edge Correspondence in Topological Phases (NTTI2019 and BEC2019), PP-26, Hiroshima, Japan
Int'l Joint Research
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[Presentation] Nanocavity based on a topological corner state in a two-dimensional photonic crystal2019
Author(s)
Y. Ota, R. Katsumi, K. Watanabe, F. Liu, K. Wakabayashi, S. Iwamoto, and Y. Arakawa
Organizer
Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO),SW4J.1, San Jose, California, USA, May 2019.
Int'l Joint Research
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