ナノカーボンにおけるフォノンのトポロジカルな性質に関する理論研究

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K05258
• Research Institution: Sendai National College of Technology
• Principal Investigator: 佐藤 健太郎 仙台高等専門学校, 総合工学科, 准教授 (90583550)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 泉田 渉 東北大学, 理学研究科, 助教 (20372287) ; 奥山 倫 明治大学, 理工学部, 助教 (60735562)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: ナノカーボン / フォノン / トポロジカル物性

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的はナノカーボンのトポロジカルな性質に由来するフォノンと結晶構造の定量的な関係を明らかにすることである。本研究によりトポロジカルな性質に由来するフォノンの振動モードやエネルギーさらに結晶構造との関係が定量的に明らかになれば、フォノンのトポロジカルな性質に関する基礎研究だけではなくフォノンが関与する熱伝導、電気伝導、またラマン散乱などの光物性へ新しい知見を見出せる可能性がある。
本研究では、まずはカーボンナノチューブの直径、長さ、カイラリティとトポロジカルな性質に由来するフォノンの振動モードやエネルギーの定量的な関係と物性を明らかにする。研究実施計画に従って2020年度は有限の長さのカーボンナノチューブにおけるフォノン分散関係と振動モードの関係について、カーボンナノチューブの直径、カイラリティ、長さとの関係を明らかにするための数値計算プログラム群の改良および結果を解析するために必要な理論の展開を行った。さらに数値計算においてはforce constantモデルなどを用いて有限の長さのカーボンナノチューブの直径、カイラリティ、長さを系統的に変えた計算および解析を進めた。今後は有限の長さのカーボンナノチューブの末端に局在した振動と、直径、カイラリティ、長さの依存性を数値計算結果から解析して系統的に分類し、トポロジカルな性質に由来するフォノンと直径、カイラリティ、長さとの関係を定量的に明らかにし、また求められたトポロジカルな性質に由来するフォノンが関わると予想される現象についての考察を推進する。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究課題は2020年度から新規に推進する課題であったが、本研究課題の申請時には全く予期できなかった新型コロナウイルスによる急激な環境の変化と、新型コロナウイルスに関する様々な対応を求められたことにより、当初の研究実施計画を十分に推進するための時間の確保などが困難な場合もあった。そのような状況においても本研究課題を効率的に推進するために遠隔会議の開催など工夫を行なってきたが、新型コロナウイルスに関する影響はやや大きく、2020年度の本研究課題の進捗状況は当初の研究実施計画における想定よりもやや遅れていると判断した。

Strategy for Future Research Activity

2021年度は引き続き有限の長さのカーボンナノチューブにおけるフォノン分散関係と振動モードの関係について、カーボンナノチューブの直径、カイラリティ、長さとの関係を明らかにするための数値計算と理論の展開を行う。また、トポロジカルな性質に由来するフォノンと直径、カイラリティ、長さとの関係を定量的に明らかにするための考察を進める。

Causes of Carryover

本研究課題の申請時には全く想定できなかった新型コロナウイルスによる急激な環境の変化により旅費に関する費用を使用することができなかった。また、数値計算用ワークステーションの導入を計画していたが同様に新型コロナウイルスの影響および半導体の不足による影響などから2020年度における数値計算用ワークステーションの導入を延期した。2021年度に旅費、数値計算用ワークステーション、研究関連資料やコンピュータ関連の補強に関する費用などに使用する予定である。