2021 Fiscal Year Research-status Report
Control of spin and polarization by hidden topological singularities
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20K14390
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
平山 元昭 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (70761005)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | トポロジカル相 / 物質探索 / 第一原理計算 / 電子構造 / Weyl半金属 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はトポロジカル相を持つ電子化物の物質設計の論文を出版した。電子化物とは、物質中で電子がアニオンとしてイオン結晶を形作っている物質群のことである。主に化学や材料科学分野で扱われ、空隙電子の小さな仕事関数を利用して触媒などに利用されている。
本研究では、データベースを用いた未知の電子化物の系統的な物質設計法を検討した。
まず、アニオンとしてハロゲンないしアニオン水素が入っている物質を選定し、そこからアニオンを取り除いた構造を考え、構造最適化を行う。アニオン除去後に出来た空隙に電子が入り込めば系は電子化物となる。こうして得られた新たな構造について、生成エネルギーの観点などから安定性の検討を行い、安定な未知の電子化物を複数得ることに成功した。
次に得られた物質の電子構造の持つトポロジカルな性質を検討した。電子化物中の空隙バンドはフェルミ準位近傍でバンド反転を生じやすく、さらに電子化物の電子雲の重心は原子核とずれた位置に存在するため(ベリー位相が非自明な値を持ちやすいため)、電子化物はトポロジカル相と高い親和性を持つ。実際に得られたLaCなどの物質はノーダルライン半金属となっており、その表面にはバルクのトポロジーと空隙電子の特性を反映した巨大なトポロジカル電荷が出現した。
次に、得られた構造中の3価の非磁性カチオン(Y,La)をGdなどの磁性カチオンに置換し、電子化物の磁性相を検討した。例えばGdCは価電子バンドと伝導バンド間にノーダルラインやWeyl点を持つ磁性トポロジカル半金属相となった。
本研究は、Phys. Rev.のEditor's suggestionに選出された。
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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
トポロジカル相の研究は競争が熾烈で、未知のトポロジカル相や物質が日々提案され続けている。
現在までに、ヒンジに量子化された電荷を持つ三次元高次トポロジカル結晶絶縁相の現実物質の初めての提案を行っている。代表者らは、高次トポロジカル結晶絶縁相の具体的な物質として、代表的な鉱物であるアパタイトの電子化物を対象とした。アパタイトを還元処理をすることで、陽イオンに囲まれた1次元の空洞を持つ電子化物となる。対象のアパタイトは、バルクとしては自明な絶縁体である。表面もまた絶縁体であるが、バルクの波動関数の非自明なトポロジーにより、ヒンジに量子化された電荷が出現する。電子化物は、空隙に浮かんだ電子を表面やヒンジで切断することが出来るため、各種トポロジカル相と相性が良い。本研究では同時に、トポロジカル電子化物の分類と、新たな物質提案も行った。1つの例は、代表的なDirac半金属であるNa3Biであり、代表者は空隙電子がバンド反転を担っていることを示した。また、共同研究として、フェルミ準位近傍にお
けるノーダルラインの存在と異常Nernst効果の関連について論文にまとめた。
本研究では、対象物質として電子化物などのWannier関数自体が通常の原子軌道と異なる系を選定することで、空隙起源の表面状態など他の物質では得られない特性を得ることに成功している。データベースを出発点とする新物質設計では、カチオンの磁性元素置換によって系統的に磁性トポロジカル相を得ることに成功している。
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| Strategy for Future Research Activity |
電子状態における特異なスピン構造やそれに起因するトポロジカル相の検討を行う。対象としては超伝導などの通常状態以外の相なども含める。物質系としても、通常の無機物質に留まらず、電子化物や共有結合性結晶など、化学や材料分野を横断する物質系を検討する。本年度以降も、物質の検討は第一原理計算を用いて行い、場合によっては構造最適化や安定性の議論を行う。
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