Control of spin and polarization by hidden topological singularities

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K14390
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: The University of Tokyo (2021-2022); Institute of Physical and Chemical Research (2020)
• Principal Investigator: Hirayama Motoaki 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (70761005)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 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 / 電子化物 / データベース

Outline of Final Research Achievements

In this study, we search novel topological materials and their physical properties, such as topological insulating phases that cannot be determined from the shape of the band structure. In the first year, we proposed an electride of apatite as a realistic material for three-dimensional higher-order topological crystal insulating phases with quantized charge at the hinge. We also classified topological electrides and proposed new materials. In the next year, we investigated a systematic material design method for topological electrides using the database, and were able to discover new topological electrides such as LaC. In the final year, we succeeded in finding several relativistic topological molecular crystals such as K4Ba2[SnBi4].

Free Research Field

物性物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、アパタイトや分子性結晶といった、従来の物性物理分野とは異なる物質系において新たなトポロジカル物性を見出しており、材料科学・化学分野との分野横断型の研究が期待される。また、Na3Biなどの既存のトポロジカル相の代表物質が電子化物であったことを発見しており、当該物質における非自明な物性と、電子化物としての性質の関係は今後興味が持たれるところである。また、我々が考案した既存の物質から系統的に新たなトポロジカル電子化物を予言する方法論は、第一原理計算とビックデータを活用しており、電子化物の設計指針として汎用性が高い。