2020 Fiscal Year Research-status Report
Quantum Electrodynamics in Solids: Dynamical Properties of Dirac and Weyl Materials
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18K03482
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
前橋 英明 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (30361661)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松浦 弘泰 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40596607)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ディラック電子系 / 有機導体 / 量子電磁力学 / 電磁双対性 / 動的応答 / 反磁性 / コンダクタンスの量子化 / 核磁気共鳴 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、「ディラック電子系・ワイルフェルミオン系物質に特有な動的応答を異方性の効果を考慮した物質中の量子電磁力学(QED)を用いて定量的に理論予測すること」である。この目的のためビスマスやTaPなどの三次元系物質を主な対象として研究を進めてきたが、有機導体で実現する二次元バルクのディラック電子系でも物質中のQEDは非常に有効であり、伝導面に垂直な方向と平行な方向の異方性を利用することによって、定量的な理論予測が可能であることがわかった。これは、以下に示す(１）理論の次元によらない一般化と（２）実験グループとの共同研究という、当初予期していなかった新しい展開へと導いた。
（１）QEDのローレンツ対称性に起因する電磁双対性と対応して、ディラック電子系の動的な電気応答と磁気応答は本質的に等価であることを示し、それらを結び付ける次元によらない関係式を導いた。三次元の場合、この関係式から大きな反磁性と誘電率の増大の間に成り立つ既存の関係が得られる。一方、二次元系の大きな反磁性は、二次元特有の現象であるコンダクタンスの量子化と関係づけられるという新たな知見が得られた。
（２）理研と東邦大の実験グループによる有機導体α-(BETS)2I3の測定データを、物質中のQEDを用いて定量的に解析することにより、この物質は、(ⅰ)電子相関効果が無視できる理想的な二次元バルクのディラック電子系であること、(ⅱ)大きな軌道反磁性を示すこと、(ⅲ)軌道磁化率と電気伝導率の間にQEDの電磁双対性と対応した強い相関があることを示した。
また、ディラック電子系と関連性が強い物質としてディラックノーダル物質、遷移金属ダイカルコゲナイド、励起子絶縁体に着目し、ノーダルライン半金属のホール伝導率の磁場角度依存性、MoTe2のゼーベック係数の符号反転の起源、熱伝導率への励起子絶縁体特有の寄与の存在を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
三次元ディラック電子系では、QEDの紫外発散と対応して一様誘電率が増大する。一方、二次元ディラック電子系では一様誘電率は増大せず、その代わりにコンダクタンスが量子化される。このように次元によってディラック電子系の電気的性質は大きく異なるにもかかわらず、ディラック電子系の電気的性質と磁気的性質の間には、QEDのローレンツ共変性と対応する次元によらない普遍的な関係があることを見出した。これは当初予期していなかった大きな発見であり、現実の二次元系物質において、その異方性の効果を積極的に利用することで定量的に理論予測し、実験的に検証するという新たな展開を見せた。
また、多様なディラック・ワイル物質への理論展開として、ディラック電子系と関連性が強い物質の輸送現象や熱電効果の研究も進展しており、遷移金属ダイカルコゲナイドなどで実現する新たな二次元ディラック電子系物質への応用も視野に入ってきた。
このように本研究は予想外の発見とともに大きく進展した。しかしその一方で、新型コロナウィルス感染症の影響によりこれまでの研究成果の発表が遅れている。このような状況を総合的に見て、おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究成果をまとめるとともに、三次系物質だけでなく二次元系物質も含めた多様なディラック・ワイル物質を対象として、物質中のQEDの研究を発展させる。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症の影響で研究会の中止やオンライン開催への変更があり、予定していた旅費が不要になったため次年度使用額が生じた。次年度使用額は、研究会が現地開催になった際の旅費等に使用する予定である。
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Research Products
(9 results)
