2020 Fiscal Year Research-status Report
Charge-spin-orbital coupled phenomena in Slater-Mott crossover
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19K14650
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
諏訪 秀麿 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (60735926)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 励起子凝縮 / スピン軌道相互作用 / イリジウム酸化物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、電子間相互作用の強い極限と弱い極限の間の中間領域で顕著となる電荷・スピン・軌道相互作用が織りなす新奇な物理現象を明らかにすることである。令和２年度では、強いスピン軌道相互作用による励起子（電子と正孔の結合状態）のボーズ・アインシュタイン凝縮を明らかにした。近年特に注目を浴びている5d電子軌道は、多くの磁性体で中心的な役割を担う3d軌道より空間的に広がっているため、電子間のクーロン相互作用が実効的に弱い。また原子番号が大きいと相対論の効果から電子のスピンと軌道の自由度が強く結合し、5d軌道の電子系では電子間相互作用とスピン軌道相互作用がどちらも重要になる。我々はスピン軌道相互作用が強い場合では電子間のクーロン相互作用が励起子を安定化させボーズ・アインシュタイン凝縮を引き起こすことを理論的に示した。このように励起子のボーズ・アインシュタイン凝縮により生じる絶縁体相は励起子絶縁体と呼ばれ、現実の物質ではこれまでほとんど見つかっていなかった。今回提案した理論を5d軌道の電子系であるイリジウム酸化物に適用し、２層系が長い間探されてきた励起子絶縁体であることを予言した。この物質は多くの先行研究で強い電子間クーロン相互作用から生じるモット絶縁体として扱われ、電子は有効的に動かないモデルで理論的に調べられてきた。しかしそのような解析では現実的なモデルパラメータで実験結果をうまく説明することができない。我々は電子間クーロン相互作用もパラメータに取り入れたより広いモデルで解析を行い、実験結果をうまく説明することに成功した。さらにこの２層系イリジウム酸化物Sr3Ir2O7は、励起子がボーズ・アインシュタイン凝縮を起こす量子相転移のすぐ近くにあることを理論的に見出した。本研究成果としてこれらの結果をPhysical Review Researchに出版した。
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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
本研究ではイリジウム酸化物を主な研究対象として5d軌道電子系の多彩な物性現象を明らかにする。5d電子系の特徴として電子間相互作用が強い極限と弱い極限の中間領域にあることがあげられる。このような中間領域では摂動展開パラメータがなく理論的な解析が自明でない。本研究では、令和元年度にスピンダイナミクスを用いた数値計算法と、乱雑位相近似を用いた解析手法を確立させ、中間領域でも高い信頼度を持つ解析を可能とした。令和２年度ではこれらの解析手法を用いて、２層イリジウム酸化物における励起スペクトルの実験結果を再現し、隠れた励起子凝縮を明らかにした。またこの物質が長い間探されてきた励起子絶縁体であることを予言した。これらの進捗を踏まえると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 |
令和３年度では実験家との共同研究を中心に進める。まず令和２年度に明らかにした２層イリジウム酸化物での励起子ボーズ・アインシュタイン凝縮を実験的に検証する。特に磁気励起スペクトルの温度依存性を調べる。我々の理論計算によると、スピンの長さが振動する縦モードの励起が転移温度付近でソフト化する。このように温度依存するソフト化は電子間相互作用が強い極限では生じず、中間領域に特有の現象である。縦モードのソフト化を実験と理論で比較することにより、２層イリジウム酸化物が励起子絶縁体である可能性を定量的に議論する。
次にイリジウム酸化物における構造と物性との関係を調べる。イリジウム酸化物では酸素配位子が八面体を形成するが、八面体の傾きは電子のスピン相互作用を変化させるため物性に大きく寄与すると期待される。八面体が傾くとスピン相互作用に異方性が生じ秩序状態が変化する。そしてスピン秩序はベリー位相を通じて伝導電子のホール伝導度を大きく変化させ実験的に検出可能である。令和３年度では八面体の傾きとこれらの興味深い物性現象との関係を実験結果と比較しつつ明らかにする。
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| Causes of Carryover |
現地での参加を予定していた国際会議が新型コロナウイルスの影響によりオンラインでの開催となったため次年度使用額が生じた。その分は本研究に関するより多くの計算ができるように、スーパーコンピュータ借料に使用する予定である。
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