Theoretical Functional Design of 2D Topological Materials and Photonics Applications

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01019
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Kwansei Gakuin University
• Principal Investigator: Wakabayashi Katsunori 関西学院大学, 工学部, 教授 (50325156)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 原子膜物質 / 非線形光学応答 / トポロジカル物質 / グラフェン / 遷移金属ダイカルコゲナイド / フォトニック結晶 / 二次元物質 / エッジ状態

Outline of Final Research Achievements

In recent years, by reinterpreting material science with the mathematical concept of topology (topology), it has been found that the phase information of the wave functions of Bloch electrons in crystals dictates peculiar localized states that appear at material boundaries such as edges, hinges, and corners. In this project, we focused on the topology of the electronic wave functions in two-dimensional atomic membranes and conducted functional exploration and design of materials. We designed photonic crystals inspired by the biphenylene network (BPN), a new two-dimensional material, utilizing the nonlinear optical response of atomic membrane materials to optically drive charge and spin currents.

Free Research Field

ナノサイエンス、物性物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

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明らかにした。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を提案した。特に、可視光領域での励起が可能であるため、今後エネルギーハーベスティングデバイス応用が期待される。さらに、BPNフォトニック結晶を活用することで、散逸の少ない電磁場通信デバイスへの応用が期待される。これらの成果は、「トポロジカル機能設計」の基礎学理の構築に貢献するものである。