Effective hamiltonian construction through combining numerical simulation with experimental approaches and its application to strongly correlated topological materials

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H01850
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: Yamaji Youhei 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, 主任研究員 (00649428)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉見 一慶 東京大学, 物性研究所, 特任研究員 (10586910) ; 田村 亮 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主幹研究員 (20636998) ; 大串 研也 東北大学, 理学研究科, 教授 (30455331) ; 三澤 貴宏 早稲田大学, 理工学術院, 主任研究員(研究院准教授) (10582687)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 量子スピン液体 / 機械学習 / ルテニウムハロゲン化物

Outline of Final Research Achievements

An effective low energy hamiltonian for a prototypical Kitaev material, α-RuCl3, is derived by combining a numerical quantum materials simulator HΦ and experimental data on magnetization of α-RuCl3 through a　Bayesian optimization program package PHYSBO. Synthesis and characterization of newly found Kitaev materials have been done. The crystal structures, magnetic orders, magnetization, magneto-transport, and Raman spectra were observed. From these data, the ab initio electronic structure calculations and theoretical studies on these Kitaev materials were carried out and the Mott transition mechanism of Ru(Br,I)3 is clarified. The present results provide us wider variety of materials to realize a quantum spin liquid phase.

Free Research Field

強相関量子物質の理論と数値シミュレーション

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

磁性や超伝導に代表される固体中の低エネルギー電子物性を理解する上で重要な役割を果たすのは、シュレディンガー方程式に現れる裸の電子質量や真空中のクーロン相互作用ではなく、結晶格子や高エネルギーからの影響を繰り込んだ有効質量や有効相互作用、ひいてはそれらによって特徴付けられる低エネルギー有効ハミルトニアンである。また、有効ハミルトニアンの空間の中で現実物質を位置付けることで、所望の物性を示す物質へ近づくための指針を得ることできる。本研究で得られた実験データから有効ハミルトニアンを構成する手法は、従来の第一原理計算が困難な量子物質の理解と物質設計を推進する上で重要な役割を果たすことが期待される。