2019 Fiscal Year Research-status Report
CDW-Mott系における非平衡状態ランドスケープの理論研究
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18K13495
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
池田 達彦 東京大学, 物性研究所, 助教 (60780583)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 電荷密度波 / 遷移金属ダイカルコゲナイド / 自由エネルギー / 準安定状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、主としてTaS2やTaSe2などの層状物質の状態ランドスケープの詳細な研究を行った。
これらの遷移金属ダイカルコゲナイドと呼ばれる層状物質は電子や格子の複雑な相互作用によって、様々な電荷密度状態を示すことが知られ、不揮発性メモリなどへの応用が期待されている。しかし、平衡状態としては存在しない準安定な電荷密度波状態の完全な解明には至っていない。
本研究では1970年代にMcMillan-中西-斯波によって定式化された自由エネルギーを現代の計算資源を活かして広範に探索し、これまで知られていなかった様々な自由エネルギーの極小値を発見した。具体的には、秩序変数の変分パラメータの追加および先行研究で計算簡略化のために課されていた拘束条件の緩和を行った。こうして発見した極小値に対応する電荷密度波状態を調べることによって、これらが実験で知られていた準安定状態（TaS2のT相およびTaSe2のストライプ相）に類似していることを明らかにした。
本研究で用いた自由エネルギーは2次元空間上の理論であることは注目に値する。これまでの研究では、上述の準安定状態の起源の１つとして層状物質の異なる層間の相互作用（従って物質のわずかな3次元性）が重要と考えられていた。本研究の成果はこの説に反して、2次元空間であっても準安定状態が生じうることを意味し、準安定状態の起源に対して新たな知見をもたらした意義がある。また、この2次元空間中での準安定状態は最近の実験とも整合する。ごく最近、単層(完全な2次元)を含む遷移金属ダイカルコゲナイド薄膜の実験が進展しており、これらにおいても準安定状態を含む様々な電荷密度波状態が観測されている。本研究で得られた結果は、伝統的な自由エネルギー理論に内在していた強力な予言能力に光を当て、最新の実験結果への適用可能性を示すものであり、今後の層状物質の研究に役立つものと思われる。
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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
本研究課題の実施計画の１つであり、核となる状態ランドスケープの探索に関して、上述のように非常に良い結果を得ることが出来た。当初は秩序変数の変分パラメータの追加のみを計画していたが、拘束条件の緩和まで実行しストライプ相などとの関連を明らかに出来たことは、当初の期待を上回る成果となった。この成果は学術論文としてまとめ、Scientific Reports誌より出版された。
また昨年度に予想外の関連が判明し並行して進めてきた、固体における高次高調波発生の研究についても様々な成果が得られている。
以上のような個々の進捗を総合して、本研究課題はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の研究で自由エネルギーのランドスケープが詳しく分かったため、これを土台としてダイナミクスの研究へと進展させたいと考えている。具体的には、この自由エネルギー汎関数に基づいて時間依存Ginzburg-Landau理論を構築し、急冷・急加熱などの条件下において電荷密度がどのように時間変化するかを調べる。これを調べるため、時間発展をシミュレーションする計算プログラムを構築し、豊富な計算資源を利用した詳細な検討を行う。
また、これまで研究を進める中で派生した関連テーマについても並行して取り組む。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍により参加を予定していた学会等が中止となったため。別の形での成果公表、コロナ禍に対応するための研究設備などへの使用を計画している。
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