2020 Fiscal Year Research-status Report
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20K14415
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
川上 拓人 大阪大学, 理学研究科, 助教 (00750895)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | トポロジカル物質 / グラファイン / グラフェンナノリボン / 単層黒リン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度は主として、グラフェンの類縁物質であるグラファイン系の電子状態の研究を推進した。グラファインは、ベンゼン環とポリイン鎖からなる炭素の2次元物質である。そしてポリイン鎖の長さがNであるものをグラファインNと呼ぶ。近年、グラファイン系としては初めて合成されたグラファイン2がABC積層と呼ばれる3次元積層構造を取っていることが実験的に示された。さらにこのABC積層グラファイン2はトポロジカルノード線半金属であることが示され、そのノード線はトポロジカル不変量であるモノポールチャージによって特徴づけられることが理論的に指摘された。このモノポールチャージが実現するためには、偶パリティを持つバンド2つと奇パリティを持つバンド2つによるバンド反転が必要であり、合計4成分の電子軌道が関与する多成分性が重要な役割を果たしているといえる。
このようなグラファイン2の性質を背景として、本研究では一般のグラファインNの電子状態とそのトポロジカル特性を系統的に探索した。その結果、単層及びABC積層グラファインNの電子状態はNの偶奇によって大別されることを明らかにした。特にABC積層系ではNが奇数の場合、ベリー位相で特徴づけられる従来のノード線半金属となるのに対し、Nが偶数の場合にはモノポールチャージをもつ新しいタイプのトポロジカルノード線半金属となることを明らかにした。
さらに本年度はグラファイン系に加えて、グラフェンナノリボンとそのネットワーク系のトポロジカル特性や、リンの２次元物質の一種である単層黒リンの電子状態の研究も推進した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
グラフェン関連物質である、グラファイン系のバンド構造の偶奇則を見出し、第一原理計算によるバンド構造の解析から対称性を用いた有効理論の構築まで包括的な理論研究を実施することができた。修得した手法および得られた知見は、今後の研究に大いに活用することができる。一方、新型コロナウィルスの感染拡大により共同研究者との打ち合わせの機会が減ったために当初の計画通り進まなかった部分もあり、反省点として挙げられる。今後はインターネットツールのさらなる有効活用などの対策を講じる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の今後の方策として、グラファイン系におけるトポロジカルノード線半金属状態の発現機構を応用し、人工周期系において同様のトポロジカル状態を研究することを計画している。本年度の研究により、Nが偶数の単層グラファイン系は、ケクレ型のボンド秩序を持つグラフェンと同じタイプのバンド構造を持ち、その3次元積層によって新奇なトポロジカルノード線半金属が現れていることが分かった。一方、このようなケクレ型グラフェンのバンド構造は、2次元フォトニック結晶における光の分散関係に代表される、人工周期構造体においても現れることが理論的に示されており、その2次元トポロジカル物性が盛んに研究されている。そこで本研究では、このような2次元の人工系を3次元方向に積層することで、モノポールチャージを有するトポロジカルノード線半金属状態が現れる可能性を探索する。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルスの感染拡大によって, 計画していた出張ができなかったため, 次年度使用額が生じた。次年度以降の旅費として有効活用することを計画している。
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