2021 Fiscal Year Annual Research Report
軌道自由度と空間反転対称性の破れが創出する奇パリティ多極子秩序の理論
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20J21838
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
大岩 陸人 明治大学, 明治大学大学院理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 対称性適合多極子基底 / 第一原理電子状態計算 / 低エネルギー有効模型 / 交差応答 / 非線形伝導現象 / カイラリティ / 奇パリティ多極子秩序 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、スピンや軌道、副格子などの電子の内部自由度の絡み合いが創出する奇パリティ多極子秩序や交差相関物性の性質を理論的に解明することである。
前年度において得られた線形・非線形応答に寄与する必須の微視的パラメータの抽出手法に関する論文を出版し、JPSJ Editor’s Choice に選出された。そして、得られた成果を日本物理学会等で発表し、研究成果の共有に努めた。
本研究では前年度の研究成果の副産物として、空間群や原子位置などの最小のモデル情報を指定することで、電子の軌道・スピン・サイト自由度を考慮した対称性適合基底を生成するアルゴリズムが得られている。そこで本年度は、得られた対称性適合基底の線形結合により、対称性を満たすタイトバインディング模型を自動生成するアルゴリズムを構築した。さらに、機械学習手法を用いることで、第一原理電子状態計算で求まるエネルギーバンド分散を再現するように各基底の重みを最適化するアルゴリズムを構築した。本手法で求まるハミルトニアンはワニエ基底を用いた従来のものとは異なり系の対称性を厳密に満たす。また、本手法によりハミルトニアンに含まれる多極子が明らかになり、見通しの良い物性予測が可能になる。現在は上述のアルゴリズムの計算コードを整理しており、論文執筆と計算パッケージの公開を予定している。
本手法をカイラル結晶の典型例である単体Teに応用した結果、ハミルトニアンの中にカイラリティに対応する電気トロイダル単極子の基底が大きな割合で含まれることを定量的に示した。また、電気トロイダル単極子の存在下では、電場誘起の格子回転と回転場誘起の電気分極という、カイラル結晶特有の応答現象が金属・絶縁体問わず生じる可能性を示した。以上の成果をまとめた論文は投稿段階にある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度の主な成果は、最小のモデル情報を基に物質中の電子の軌道・スピン・サイト自由度を考慮した対称性適合基底を生成し、得られた基底の線形結合によりタイトバインディング模型を自動生成するアルゴリズムを構築したことである。本手法で求まる模型は系の対称性を厳密に満たすだけでなく、ハミルトニアンに含まれる多極子自由度が明らかになるため、見通しの良い物性予測を可能にする。具体例として、カイラル結晶の典型例である単体Teに応用した結果、電場誘起の格子回転と回転場誘起の電気分極という、カイラル結晶特有の応答現象が金属・絶縁体問わず生じる可能性を示した。
本手法は全空間群に対して適用可能であり、幅広い物質の解析においてワニエ関数手法とは相補的な手法となり得るため、物性物理の分野に大きなインパクトを与えることができたと考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は対称性適合多極子基底の生成アルゴリズムを開発し、本手法を応用することでカイラル結晶特有の応答現象が生じる可能性を示すことができた。そこで次年度は、手法の有効性を検証するために多様な物質群に対して本手法を応用するとともに、電子の複数自由度の絡み合いに由来する新奇の奇パリティ多極子秩序の発現機構と交差相関物性を解析する。また、上述のアルゴリズムの計算コードを整理し、計算パッケージの公開を目指す。
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