Theoretical study of topological properties of phonons in nanocarbon materials

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K05258
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: Sendai National College of Technology
• Principal Investigator: Sato Kentaro 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 Final Research Achievements

Graphene is a one-atom thick layer carbon material, and carbon nanotubes are a sheet of graphene rolled into a hollow cylinder with diameter of about 1 nanometer. It has been known that localized lattice vibrations exist at the end of a carbon nanotube of finite length. In this research, we focus on the localized lattice vibrations and their topological properties. We discuss that equivalence of the dynamical matrix of out-of-plane displacement and pi-electron Hamiltonian, chirality dependence of the band gap of out-of-plane phonons, and curvature and chiral angle dependence of small gaps based on group theory. Additionally, we calculate lattice vibrations using a force-constant model.

Free Research Field

ナノ構造物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の研究成果はカーボンナノチューブを始めとしたトポロジカルな性質に由来するフォノンの解析において有用な指針となることが期待される。解析の各ステップにおいて、群論による結果と照らし合わせながら解析を進められるということは、曲率を取り込むような煩雑な摂動計算において有益な羅針盤となると期待される。また、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、また応用研究において新しい知見を見出すきっかけとなることが期待される。