Theoretical study on physical properties of moiré meta-materials

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H01840
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Koshino Mikito 大阪大学, 大学院理学研究科, 教授 (60361797)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 川上 拓人 大阪大学, 大学院理学研究科, 助教 (00750895)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ２次元物質 / グラフェン / モアレ物質 / ファンデルワールスヘテロ接合

Outline of Final Research Achievements

We preformed theoretical studies on electronic states, topological properties, structural relaxation, and phonon properties in various moire materials created by the combination of two-dimensional materials. In particular, we have established a theory describing the structural relaxation and electronic structure of moire three-layer systems, which have been difficult to handle due to their quasiperiodic structure. We also discovered the equivalence between quasiperiodic moire systems and 4D quantum Hall systems, and identified the topological numbers inherent in their energy spectra. Furthermore we have extended our research to various moire systems including hBN, black phosphorus, topological insulators, and three-dimensional graphite, and clarified the nontrivial electronic structure, phonon properties, and electrical conduction properties produced by moire patterns.

Free Research Field

物性理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

原子層が重なってできるモアレ物質が非常な注目を集めるが、何千何万という原子を含むモアレ周期がもたらす電子物性を理論的な記述することは困難である。特に複数のモアレ模様が干渉する多層系では、周期系を前提とする通常の固体物性理論が適用できないため、物性研究の進展の大きな妨げになっていた。この研究で行われた一連の仕事はこの部分に光を当てるものであり、従来解析が殆ど行われてこなかったモアレ多層系や３次元積層モアレ系の基礎的な性質を初めて明らかにした。この結果は無数のバリエーションを持つモアレ系の性質を理解するための基本的な枠組みを与え、未来の物性物理の基礎になることが期待される。