Search and creation of flat band compounds by first principles calculation

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K03731
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 長谷 泉 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00357774)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 柳澤 孝 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 招聘研究員 (90344217) [Withdrawn] ; 東 陽一 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究員 (70801059)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: フラットバンド / 強磁性 / パイロクロア酸化物 / パイロクロア格子 / トポロジカル絶縁体 / ワイル点 / スピン軌道結合 / セルフドーピング

Outline of Annual Research Achievements

研究期間全体を通して、様々なパイロクロア酸化物において価電子帯最上部にフラットバンドが生じることを示して来た。フラットバンドが出現する物質の設計指針を構築し、それに従って、Pb2Nb2O7をはじめとする様々な物質でフラットバンドが出現することを示して来た。パイロクロア格子上のフラットバンド模型において強磁性、超伝導、トポロジカル物性などが理論的に示唆されていることを考えるとこの結果は重要だと考える。ただし、フラットバンドに由来する興味深い物性、例えば強磁性を発現させるにはホールドープしてフェルミ準位をフラットバンド内に移動させる必要があり、そこに実験的な困難があった。

最終年度、我々はネイプルイエローの顔料として知られるPb2Sb2O7の電子状態を計算した。この化合物はPb-s軌道とSb-s軌道がそれぞれほぼ独立にフラットバンド（それぞれFB1,FB2とする）を構成し、しかもエネルギー的に少しオーバーラップしている。そのため、FB1から若干の電子がFB2に流れる。これにより、元素置換をしなくてもFB1に自然にホールがドープされる（セルフドーピング）ことがわかった。スピン偏極した第一原理計算を行った結果、この系は確かに強磁性を示すことがわかった。また、実験的に菱面体晶になるという報告があることから、菱面体晶の歪みを加えた計算も行なった。その結果、確かに立方晶(Fd-3m)より菱面体晶(R-3m)の方が安定であることがわかった。この場合FB1は分裂するが、しかしそれでも強磁性が安定であった。すなわち、この系の強磁性は菱面体晶歪みに対してもロバストである。この結果を論文にまとめ、Scientific Reports誌(Q1, IF=4.996)で報告した。

Research Products

• [Journal Article] Flat band ferromagnetism in Pb2Sb2O7 via a self-doped mechanism (2023)
  • Author(s): Hase I.、Higashi Y.、Eisaki H.、Kawashima K.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Pages: 4743~4743
  • DOI: 10.1038/s41598-023-31917-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Direct observation of the electronic structure of the layered phosphide superconductor ZrP2－xSex (2022)
  • Author(s): Ino A.、Kubo T.、Ishizaka S.、Takita H.、Mansuer W.、Shimada K.、Ueda S.、Kit? H.、Hase I.、Ishida S.、Oka K.、Fujihisa H.、Gotoh Y.、Yoshida Y.、Iyo A.、Ogino H.、Eisaki H.、Kawashima K.、Yanagi Y.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Pages: 195111~195111
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.195111
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-pressure synthesis and superconductivity of the novel laves phase BaIr2 (2022)
  • Author(s): Koshinuma Terunari、Ninomiya Hiroki、Hase Izumi、Fujihisa Hiroshi、Gotoh Yoshito、Kawashima Kenji、Ishida Shigeyuki、Yoshida Yoshiyuki、Eisaki Hiroshi、Nishio Taichiro、Iyo Akira
  • Journal Title: Intermetallics Volume: 148 Pages: 107643～107643
  • DOI: 10.1016/j.intermet.2022.107643
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 層状ぺロブスカイト酸砒化物の相安定性 (2023)
  • Author(s): 東陽一、長谷泉、荻野拓、岩佐祐希、内村慶舟、本郷研太、前園涼
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Electronic structure of the superconducting ZrP2-xSex with having Dirac nodal lines (2022)
  • Author(s): I. Hase, H. Kito, Y. Higashi, H. Eisaki, K. Kawashima
  • Organizer: The 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 層状超伝導体ZrP2-xSexの二次元性について (2022)
  • Author(s): 長谷泉、鬼頭聖、東陽一、永崎洋、川島健二
  • Organizer: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [Presentation] 新ラーベス相超伝導体BaIr2の高圧合成と超伝導特性 (2022)
  • Author(s): 越沼 輝成, 二宮 博樹, 伊豫 彰, 長谷 泉, 藤久 裕司, 後藤 義人, 永崎 洋, 石田 茂之, 西尾 太一郎, 川島 健司, 吉田 良行
  • Organizer: 日本物理学会 第77回年次大会
• [Presentation] High-pressure synthesis and superconductivity of the novel Laves phase BaIr2 (2022)
  • Author(s): 越沼 輝成、伊豫 彰、二宮 博樹、長谷 泉、藤久 裕司、後藤 義人、川島 健司、石田 茂之、吉田 良行、永崎 洋、西尾太一郎
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research