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2007 Fiscal Year Annual Research Report

量子スピンホール効果を示す物質の探索

Research Project

Project/Area Number 19019004
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

村上 修一  Tokyo Institute of Technology, 大学院・理工学研究科, 准教授 (30282685)

Keywordsスピントロニクス / 表面・界面 / ビスマス / スピンホール効果
Research Abstract

量子スピンホール相を示す物質を、半金属ビスマスの関連物質を中心に探索した。この相になるための必要条件は2つだけで、(i)非磁性絶縁体、(ii)Z2トポロジカルナンバーが奇数、である。この(ii)の条件の判定は波動関数の位相と関係しているが、判定は厄介でありバンド計算などの助けを借りる必要がある。我々は以前、1-bilayer (111)ビスマス薄膜が量子スピンホール相を示すという予想を行ったが、今年度はこれを実証するため第一原理計算を行って、実際1-bilayerのビスマス薄膜が量子スピンホール相となることを理論的に提唱した。また金属系のスピンホール効果の第一原理計算も並行して行った。特にプラチナではスピンホール効果が大きいことが実験で観測されているが、第一原理計算の結果、この巨大なスピンホール効果が内因性、つまりバンド構造による効果であって不純物散乱には依存しない機構によることを提唱した。また物質探索の準備として、スピン軌道相互作用などの外部パラメタの変化に対してどのように絶縁相から量子スピンホール相へ転移するか、一般的な枠組みで解析した。その結果、2次元系においては、パラメタの値を変えていくとパラメタのある一点で相転移を起こすが、3次元では一般に2相の間にギャップレスの相が挟まるということが分かった。これは3次元の場合は、ギャップレスの点がトポロジカルな構造を持つことに起因する。これはバンド計算や、清浄なサンプルでの実験でも十分観測できると考えられる。これを実証するため、Fu, Kane, Meleが提唱したダイヤモンド格子上のスピン軌道相互作用が入った模型を用いて解析し、確かに空間反転対称性が破れた場合、絶縁相と量子スピンホール相の間にギヤップレスな相が挟まることが分かった。

  • Research Products

    (12 results)

All 2008 2007

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (8 results)

  • [Journal Article] Intrinsic spin Hall effect in platinum: first-principles calculations2008

    • Author(s)
      G.-Y. Guo, S. Murakami, T.-W.Chen, N. Nagaosa
    • Journal Title

      Physical Review Letters 100

      Pages: 096401-1-096401-4

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Phase transition between the quantum spin Hall and insulator phases in 3D: emergence of a topological gapless phase2007

    • Author(s)
      S. Murakami
    • Journal Title

      New Journal of Physics 9

      Pages: 356

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Tuning phase transition between quantum spin HaU and ordinary insulating phases2007

    • Author(s)
      S. Murakami, S. Iso, Y. Avishai, M. Onoda, N. Nagaosa
    • Journal Title

      Physical Review B 76

      Pages: 205304-1205304-6

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quantum charge pumping and electric polarization in Anderson insulators2007

    • Author(s)
      C.-H. Chern, S. Onoda, S. Murakami, N. Nagaosa
    • Journal Title

      Physical Review B 76

      Pages: 035334-1-035334-15

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 量子スピンホール相と絶縁相との間の相転移2008

    • Author(s)
      村上 修一
    • Organizer
      日本物理学会第63回年次大会
    • Place of Presentation
      近畿大学
    • Year and Date
      2008-03-23
  • [Presentation] Phase transition between quantum spin Hall and ordinary insulating phases2008

    • Author(s)
      村上 修一
    • Organizer
      APS March Meeting 2008
    • Place of Presentation
      New Orleans Convention Center
    • Year and Date
      2008-03-10
  • [Presentation] Quantum Spin Hall Effect - Surface Spin Current, on an Insulator-2008

    • Author(s)
      村上 修一
    • Organizer
      International Workshop on Spin Current
    • Place of Presentation
      東北大学金属材料研究所
    • Year and Date
      2008-02-19
  • [Presentation] Spin current in nanostructures - Spin Hall effect and quantum spin Hall effect-2008

    • Author(s)
      村上 修一
    • Organizer
      11th Sanken International Symposium
    • Place of Presentation
      淡路夢舞台国際会議場
    • Year and Date
      2008-02-05
  • [Presentation] Spin Hall and quantum spin Hall effects2007

    • Author(s)
      村上 修一
    • Organizer
      YKIS2007 "Interaction and Nanostructural Effects in Low-Dimensional Systems"
    • Place of Presentation
      京都大学基礎物理学研究所
    • Year and Date
      2007-11-16
  • [Presentation] スピンホール効果2007

    • Author(s)
      村上 修一
    • Organizer
      日本物理学会第62回年次大会
    • Place of Presentation
      北海道大学
    • Year and Date
      2007-09-24
  • [Presentation] Quantum spin Hall systems and surface spin current2007

    • Author(s)
      村上 修一
    • Organizer
      SpiNor 2007
    • Place of Presentation
      Centre for Advanced Study, Oslo, Norway
    • Year and Date
      2007-06-29
  • [Presentation] Quantum spin Hall systems2007

    • Author(s)
      村上 修一
    • Organizer
      CAS Program Spin and Charge Flow in Nano-structures
    • Place of Presentation
      Centre for Advanced Study, Oslo, Norway
    • Year and Date
      2007-05-08

URL: 

Published: 2010-02-04   Modified: 2016-04-21  

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