2022 Fiscal Year Final Research Report

Search and creation of flat band compounds by first principles calculation

Research Project

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Project/Area Number	19K03731
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	Hase Izumi 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) 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 Final Research Achievements	In pyrochlore compounds, we have established a design guideline for materials that have a flat band (FB) at the top of the valence band. Based on the guideline, it was shown by first-principles calculation that about 10 kinds of compounds have FB. It was theoretically derived that these compounds exhibit ferromagnetism with appropriate doping. We also show that the sign of the effective spin-orbit interaction changes for each material, so that the topological properties can be tuned. Furthermore, we proposed a material Pb2Sb2O7 consisting of two FBs. In this material, part of the electrons move to the second FB, causing spontaneous hole doping (self-doping). As a result, it was shown by calculation that FB ferromagnetism is realized without element substitution.
Free Research Field	物性理論
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	フラットバンド(FB)を持つ模型では完全強磁性、超伝導、分数量子ホール効果などの特異な物性が出現すると期待されており、現実の物質でこの模型に近い電子状態を実現することは重要な課題であった。我々は上記の研究により、一連のパイロクロア酸化物においてこのような電子状態が実現していることを示した。特異な物性の典型例として、磁性元素を含まない、FB由来の強磁性状態が出現することを示した。この研究成果はFB物質の学理を追求する一助となるるとともに、応用的にもFB物質がスピントロニクスや量子計算などの新しいプラットフォームとなる可能性を示したところに意義があると考える。