2021 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical Functional Design of 2D Topological Materials and Photonics Applications
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21H01019
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| Research Institution | Kwansei Gakuin University |
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Principal Investigator |
若林 克法 関西学院大学, 工学部, 教授 (50325156)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | トポロジカル物質 / グラフェン / 原子膜物質 / ザック位相 / 高次トポロジカル状態 / 光応答 / SSH模型 / ナノリボン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
グラフェンや遷移金属カルコゲナイド系物質(TMDC)などの系の厚さが一原子層である原子膜物質では、エッジや表面などによって、特異な電子物性が発現する。さらに近年、物質科学をトポロジー（位相幾何学）という数学概念で捉え直すことで、結晶中のブロッホ電子が有する波動関数の位相情報によって、エッジ・ヒンジ・コーナーなどの物質境界に出現する特異な局在状態が規定されることがわかってきている。エッジやコーナーなどの境界での波動関数の局在は、ナノスケール材料における局在磁性や完全伝導チャンネルの起源となる一方、フォトニクス結晶の言葉に焼き直せば、光の局在（閉じ込め）や高効率光伝搬に対応する。これらトポロジカルに保護された状態は、新しい電子・光デバイス設計への源泉となるものである。
本研究では、二次元原子膜の電子波動関数が有するトポロジーに着目し、物質の機能を設計する理論を整備する。さらに、原子膜物質で得られた知見を、より実装しやすい電磁場系に展開を図り、フォトニック結晶の設計へと繋げる。原子膜物理とフォトニクスを分野横断する研究を推進し、新しい光・電子デバイスのベースとなる基礎物性の理論的解明へと貢献する。本研究課題によって、二次元原子膜物理からフォトニック系にわたる、新たなトポロジカル状態の発見や制御の指針を提示する。さらに、「トポロジカル機能設計」の基礎学理の構築に貢献する。
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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
本年度は、TMDC膜と光との相互作用に着目し、光照射による電子励起を活用したスピン状態の生成と制御機構、さらにはトポロジカル特性について、理論的に検討を進めてきた。具体的には、NbSe2を考え、可視光領域の電磁場照射によって、スピンホール流を励起可能であることを指摘した（光学的スピンホール効果）。NbSe2は、金属的な性質を示すTMDCであり、低温では超伝導転移をすることが知られている物質である。特に、単層NbSe2は空間反転対称性が破れていること、さらにNb原子由来のスピン軌道相互作用からNbSe2はイジング型スピン軌道相互作用を有することが知られている。そこで我々は、Nb原子が有する三つのd軌道に着目し、第一原理電子状態計算の結果を再現する有効タイトバインディング模型を構築した。さらに、線形応答理論に基づく久保公式を適用することで、電磁場照射による光学的スピン・電荷ホール伝導度を数値理論的に解析した。その結果、可視光領域の電磁場によって、単層NbSe2に純スピンホール流を電磁場照射によって誘起させることが可能であることがわかった。さらに、二次の非線形光学応答にまで解析の歩を進め、第２高調波発生(SHG)によるスピン流生成機構や層数依存性などに着目し、TMDCに特徴的な振る舞いを一般的に明らかにすることを行った。
さらに上記とは並行して、最近実験的に合成されたbiphenylene network (BPN)の電子状態及びトポロジカル状態に関して、タイトバインディング模型による解析と第一原理計算による解析を進めている。また、BPNをトポロジカル状態に着想を得たトポロジカルフォトニック結晶の理論設計と解析を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
TMDCなどの二次元物質における非線形光学応答に関する理論解析を進め、光による電子流およびスピン流の新しい駆動機構の方法を提案することを目指す。また、二次元物質のトポロジカル特性の研究成果から新しいトポロジカルフォトニック結晶の理論設計を進めるとともに、そこでの電磁場特性を解明する。上記の事柄を推進することで、トポロジカル機能設計の基礎学理の構築に貢献する。
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