Development of a first-principles calculation method incorporating magnetic-field effects and its application to the analysis of magnetic phenomena

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 18K03461
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: Katsuhiko Higuchi 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 准教授 (20325145)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 樋口 雅彦 信州大学, 学術研究院理学系, 教授 (10292202)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 磁気現象 / 第一原理計算 / 強束縛近似 / 磁気的ブロッホ関数 / グラフェン / g因子 / 量子ホール効果

Outline of Final Research Achievements

We have developed the "extended magnetic-field containing relativistic tight-binding approximation method” (extended MFRTB method) as a first-principles method for calculating the electronic structure of materials immersed in a magnetic field. This method goes beyond the conventional approximation using the Peierls phase. It is shown that this method can revisit the strong orbital diamagnetism of graphene and that graphene exhibits a characteristic magnetic-field dependence of magnetization in high magnetic fields. It is also found that the small g-factor observed in graphene deposited on substrate is mainly due to the Rashba effect caused by the asymmetric surface potential. In order to revisit the quantum Hall effect by the extended MFRTB method, a formulation is developed to calculate the anomalous velocity of the magnetic Bloch state.

Free Research Field

物性理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

固体の磁場に対する応答を第一原理的に記述することは，多くの研究者がその重要性を認識していたものの，ベクトルポテンシャルを含むため計算手法の開発が難しく遅々として進んできませんでした。本研究で開発した計算手法はこの状況を打破するものです。また本研究で行った固体の磁場に対する応答の第一原理的な計算は，世界に先駆けて行ったものです。ゆえに，そこから得られる成果はいずれも，固体の磁場に対する応答の理解に，新たな視点を与えるものになっています。さらに本研究の成果は，固体の磁場に対する応答を利用する例えばスピントロニクス分野の材料設計に対して，新たな端緒となり得ます。