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2008 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。この相は非磁性絶縁体のうちでZ_2トポロジカルナンバーが奇数であるものを探せばよい。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、これは非常に単純化された模型に基づいており、実際の実験と関係付けるためには物質に即した第一原理計算が必要である。このため今年度は第一原理計算の助けを借りて精密な計算を行った。ビスマス薄膜のうち絶縁性をしめすのは(i)(111)1-bilayer薄膜、(ii){012}2-monolayer薄膜の2種であり、これらについて計算をした結果、(i)は量子スピンホール相となるが、(ii)はそうでなく通常の絶縁相であることが分かった。なお(ii)の場合は空間反転対称性がない結晶構造のため、相を同定するためのZ_2トポロジカルナンバーの計算が厄介である。これについてはいくつかの等価な計算式が知られているが、実際数値計算をしようとすると複数の方法の間に優劣が生じる。この点については格子ゲージ理論から提唱された計算の枠組みが知られており、試行錯誤の結果この計算法が非常にうまくいき、短時間で信頼できる結果が出せることが分かった。
またこれらの系でのエッジ状態の計算も行い、エッジ状態の時間反転対の個数が(i), (ii)でそれぞれ奇数、偶数となり上記の相の分類と一致することを確かめた。これらのエッジ状態は、理論的に予測されているとおりスピン偏極している。スピン偏極の向きはほぼ薄膜面に垂直であるが、10-20%程度薄膜面の法線方向から傾いている。この結果は良質の薄膜が作成できれば実証可能であると考えられる。

  • Research Products

    (20 results)

All 2009 2008

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (16 results)

  • [Journal Article] Effects of disorder in three-dimensional Z_2 quantum spin Hall system2009

    • Author(s)
      Ryuichi Shindou and Shuichi Murakami
    • Journal Title

      Physical Review B 79

      Pages: 045321-1-045321-29

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Universal phase diagrams for the quantum spin Hall systems2008

    • Author(s)
      Shuichi Murakami and Shun-ichi Kuga
    • Journal Title

      Physical Review B 78

      Pages: 165313-1-165313-10

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quantum Spin Hall Phases2008

    • Author(s)
      Shuichi Murakami
    • Journal Title

      Progress of Theoretical Physics Supplement 176

      Pages: 279-301

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Spin Hall effect of excitons2008

    • Author(s)
      Shun-ichi Kuga, Shuichi Murakami, and Naoto Nagaosa
    • Journal Title

      Physical Review B 78

      Pages: 205201-1-205201-5

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Spin Caloritronics--Wrap-up Theory--2009

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      Spin Caloritronics
    • Place of Presentation
      Lorentz Center (ライデン、オランダ)
    • Year and Date
      20090231
  • [Presentation] Quantum spin Hall phases and topological surface states2009

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      DPG conference
    • Place of Presentation
      ドレスデン工科大学(ドレスデン、ドイツ)
    • Year and Date
      2009-03-26
  • [Presentation] Theoretical study on quantum spin Hall phases in bismuth ultrathin films2009

    • Author(s)
      S. Murakami, M. Wada, F. Freimuth and G. Bihlmayer
    • Organizer
      APS March Meeting 2009
    • Place of Presentation
      ローレンスコンベンションセンター(ピッツバーグ、米国)
    • Year and Date
      2009-03-20
  • [Presentation] 電子輸送におけるベリー位相とトポロジー2009

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      北大21世紀COE「TOP WINTER SCHOOL 2009」
    • Place of Presentation
      札幌後楽園ホテル (札幌)
    • Year and Date
      2009-03-05
  • [Presentation] Bismuth ultrathin film as a two-dimensional topological insulator2009

    • Author(s)
      S. Murakami, M. Wada, F. Freimuth and G. Bihlmayer
    • Organizer
      International Symposium on Nanoscience and Quantum Physics
    • Place of Presentation
      国際文化会館 (東京)
    • Year and Date
      2009-02-23
  • [Presentation] Quantum spin Hall phase in bismuth ultrathin film2008

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      KITP Miniprogram : Quantum Spin Hall Effect and Top :logical Insulators
    • Place of Presentation
      Kavli Institute for Theoretical Physics, University of California, Santa Barbara (米国)
    • Year and Date
      2008-12-17
  • [Presentation] Quantum Spin Hall Phase and Topological-Numbers in Bismuth Ultrathin Films2008

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      The 23rd Nishinomiya-Yukawa Memorial International Workshop "Spin Transport in Condensed Matter"
    • Place of Presentation
      京都大学基礎物理学研究所 (京都)
    • Year and Date
      2008-11-21
  • [Presentation] トポロジーに起因した新奇な表面状態2008

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      第28回表面科学学術講演会
    • Place of Presentation
      早稲田大学 (東京)
    • Year and Date
      2008-11-14
  • [Presentation] Quantum spin Hall phase in bismuth ultrathin film2008

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      421st Wilhelm and Else Heraeus Seminar on Spin Hall Effect
    • Place of Presentation
      Physikzentrum(Bad Honnef, Germany)
    • Year and Date
      2008-10-20
  • [Presentation] ビスマスにおける量子スピンホール効果とエッジ状態の理論2008

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      日本物理学会2008年秋季大会
    • Place of Presentation
      岩手大学(岩手)
    • Year and Date
      2008-09-20
  • [Presentation] スピンホール効果および光のホール効果2008

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      第四回量子情報未来テーマ開拓研究会
    • Place of Presentation
      ホテルサンライズ知念(沖縄)
    • Year and Date
      2008-09-10
  • [Presentation] Spin Hall Effect and quantum spin Hall effect--spin current in metals and insulators--2008

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      Gordon Research Conference "Magnetic Nanostructures"
    • Place of Presentation
      Centre Paul Langevin(Aussois, France)
    • Year and Date
      2008-09-04
  • [Presentation] Quantum Spin Hall Phase in Bismuth Ultrathin film2008

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      ISQM-TOKYO'08
    • Place of Presentation
      日立製作所基礎研究所(埼玉)
    • Year and Date
      2008-08-26
  • [Presentation] トポロジカルな超伝導とエッジ状態2008

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      不均一超伝導超流動状態と量子物理
    • Place of Presentation
      京都大学基礎物理学研究所(京都)
    • Year and Date
      2008-08-02
  • [Presentation] Universal phase diagram for the quantum spin Hall systems2008

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      Topological Aspects of Solid State Physics
    • Place of Presentation
      京都大学基礎物理学研究所(京都)
    • Year and Date
      2008-06-26
  • [Presentation] Theory on Quantum Spin Hall Phase in Bismuth Thin Film2008

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      International Conference on Quantum Simulators and Design 2008
    • Place of Presentation
      日本科学未来館(東京)
    • Year and Date
      2008-06-02

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Published: 2010-06-11   Modified: 2016-04-21  

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