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2022 Fiscal Year Research-status Report

Strong correlation and strong coupling effects in the excitonic phase and its vicinity region based on the first-principles calculations and the quantum many-body calculations

Research Project

Project/Area Number 21K03399
Research InstitutionNiigata University

Principal Investigator

大野 義章  新潟大学, 自然科学系, 教授 (40221832)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
KeywordsPr1-2-20系 / 四極子秩序 / 第一原理計算 / RKKY相互作用 / Eliashberg方程式 / 超伝導
Outline of Annual Research Achievements

Pr1-2-20系PrT2X20(T=遷移金属、X=Al, Zn, Cd)は、4f 2配位のPrイオンの結晶電場基底状態が非クラマース二重項Γ3であることに起因して、四重極秩序や超伝導、非フェルミ液体などの様々な興味深い振る舞いを示すことから注目を集めており、膨大な研究が進められつつある。その中で、PrTi2Al20では強的な四極子秩序(FQ)、PrV2Al20、PrIr2Zn20、PrRh2Zn20では反強的な四極子秩序(AFQ)が観測されているが、これらのFQとAFQの物質依存性の起源については未解明である。また、これらの物質では、四極子秩序相の低温領域において超伝導が発現し、四極子秩序と超伝導との関わりが注目されているが、超伝導発現機構やその対称性についても未だ分かっていない。
本研究では、第一原理計算(WIEN2k)に基づいて最局在ワニエ関数を用いて複雑な伝導バンドを正確に再現する有効196バンド模型を構築し、伝導電子を媒介としてPrイオンの四極子モーメントおよび八極子モーメント間に働くRKKY相互作用を導出した結果、PrTi2Al20ではFQ、PrV2Al20ではAFQとなる実験の四極子秩序説明するとともに、実験では未解明の詳細な内部秩序構造を決定した。また、PrTi2Al20では非常に飛びの小さい(ほぼ2次相転移に見える)1次相転移が実現すること、PrV2Al20ではAFQに2次相転移した後、さらに降温により別の種類のAFQに2段相転移することを示したが、これらはいずれも比熱の実験結果と良く整合する。さらに、一般化されたスピン波理論をこれらの四極子秩序に適用することにより四極子波(Quadrupolon)の分散を導出し、Quadrupolonを媒介とする引力相互作用による線形化Eliashberg方程式を解くことにより超伝導の転移温度とギャップ関数を求めた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

銅酸化物高温超伝導や重い電子系などの強相関電子系では、簡単化した有効模型に基づくモデル計算が従来は行われていたが、2008年に発見された鉄系超伝導体の研究をきっかけとして、d軌道5軌道が関与する複雑に絡み合ったバンド構造が、その物性や超伝導発現機構に重要であることが認識されつつある。そこでは、第一原理計算に基づいて現実的な多軌道・多バンド有効模型を構築し、その有効模型に基づいて電子相関効果を量子多体計算により考慮し、磁気・軌道秩序やそれらの揺らぎによる超伝導を議論されている。しかし、f電子が重要な役割を果たす希土類化合物では、f軌道の7バンドに加えて多数の伝導バンドがフェルミ準位近傍で絡み合うため、鉄系超伝導体に比べてバンド構造が格段に複雑となり、第一原理計算に基づく強相関理論はこれまでほとんど行われてこなかった。本研究で、希土類化合物の中でも特に複雑なPr1-2-20系に対して、ベンチマーク的な196軌道からなる有効模型に基づいて四極子秩序の物質依存性を初めて説明した。また、四極子秩序相で観測される超伝導に対してQuadrupolonを媒介とする新しい超伝導機構を提案したことは、強相関系の理論研究の基盤としても重要な成果といえる。さらに、PrTi2-xVxAl20のように未だ実験が行われていない物質に対して第一原理計算に基づいて物性予測を行ったことは、今度の物質設計の指針としても意義がある。

Strategy for Future Research Activity

励起子相が実現することが期待される半導体・半金属近傍にある以下の①②の多バンド系について調べる。まず、第一原理計算に基づいて、McMillanの式を用いてTcを求める。得られたTcが実験を再現しなかった場合は、第一原理計算と最局在ワニエ関数を用いて有効多バンド模型を構築し、量子多体計算により非従来型の超伝導発現機構を明らかにする。
① 層状遷移金属ダイカルコゲナイドの中で最高の超伝導転移温度Tc=8.8Kを示すWS2の超伝導が発見され、そのトポロジカル電子状態との関連からも注目を集めている。これまで、低圧相の2M-WS2ではTcの理論値は実験値の約1/3~1/6であり、さらに、実験ではTc=2.5Kを示す高圧相の3R-WS2では圧力によらずTcがゼロと見積もられ、従来型のBCSフォノン機構では説明が困難であることが分かった。そこで本研究では、既に構築した22バンドd-p模型に基づいて量子多体計算を行い、Tcの圧力依存性を説明しうる超伝導発現機構を明らかにする。
② 鉄系超伝導体111系と同じ結晶構造をもつLaCoSiでTc=4Kの超伝導が発見され、その超伝導発現機構が鉄系との関連も含めて注目されている。これまで、第一原理計算に基づいてTcを求めた結果、実験値より2桁低くなったことから、非従来型の新奇超伝導が期待される。そこで本研究では、既に構築した40バンドd-d-p-f模型に基づいて量子多体計算を行い、実験のTcを説明しうる超伝導発現機構を明らかにする。

Causes of Carryover

出張旅費の支出金額が当初の見積もりよりも若干少なかったため、その差額分として次年度使用額が生じた。

  • Research Products

    (25 results)

All 2023 2022

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results) Presentation (21 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Electronic Structure of a Layered Organic-Inorganic Hybrid Material (WO3)2(4,4'-bipyridyl) Based on the First-principles Calculation2023

    • Author(s)
      Sekikawa Takuya、Tallon Jeffery L.、Chong Shen V.、Ono Yoshiaki
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 92 Pages: 023702-1~4

    • DOI

      10.7566/JPSJ.92.023702

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] First-Principles Study of the RKKY Interaction and the Quadrupole Order in the Pr 1-2-20 Systems PrT2Al20 (T=Ti, V)2022

    • Author(s)
      Iizuka Yuto、Yamada Takemi、Hanzawa Katsurou、Ono Yoshiaki
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 91 Pages: 074708-1~6

    • DOI

      10.7566/JPSJ.91.074708

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Surface electronic structure of possible high-Tc surface superconductor WO3 based on the first-principles calculation2022

    • Author(s)
      Sekikawa Takuya、Kawai Hiroyuki、Ono Yoshiaki
    • Journal Title

      Journal of Physics: Conference Series

      Volume: 2323 Pages: 012006~012006

    • DOI

      10.1088/1742-6596/2323/1/012006

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structure, electric transport, and magneto-transport properties of metallic double-chain based Pr1-xCaxBa2Cu4O8 with low Ca substitution2022

    • Author(s)
      Teramura Takehiro、Matsukawa Michiaki、Senzaki Tatsuya、Taniguchi Haruka、Sano Kazuhiro、Ono Yoshiaki、Hagiwara Makoto
    • Journal Title

      Physica B: Condensed Matter

      Volume: 646 Pages: 414226~414226

    • DOI

      10.1016/j.physb.2022.414226

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Electronic structure analysis of a novel magnetic tunnel junction device Fe/LiF/MgO interface based on the first-principles calculations2023

    • Author(s)
      Takuya Sekikawa, Kazuki Takada, Yoshiaki Ono
    • Organizer
      7th edition of Global Energy Meet (GEM-2023)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 第一原理計算に基づく磁気トンネル接合素子Fe-LiF-MgOの電子状態2023

    • Author(s)
      関川卓也, 髙田和樹, 大野義章
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Heyd-Scuseria-Ernzerhof交換相関汎関数を用いたFeSeの第一原理バンド計算2023

    • Author(s)
      川井弘之, 大野義章
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 第一原理計算に基づく低エネルギー放射線を照射されたDNAの分子構造と電子状態2023

    • Author(s)
      関川卓也, 松谷悠佑, 甲斐健師, 川井弘之, 佐藤達彦, 大野義章
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
  • [Presentation] 動的平均場理論による2バンド・ハバード模型のスピン一重項と三重項の超伝導感受率2023

    • Author(s)
      猪熊祐輔, 大野義章
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
  • [Presentation] 励起子絶縁体候補物質Ta2NiSe5のキャリアドープ効果の研究 Ⅲ2023

    • Author(s)
      土田駿, 広瀬雄介, 関川卓也, 大野義章, 摂待力生
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
  • [Presentation] 第一原理計算を用いたSrTiO3の電子状態と超伝導Ⅲ2023

    • Author(s)
      伊海田陸, 関川卓也, 大野義章, 佐野和博, 桝田佳美
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
  • [Presentation] 第一原理計算による鉄系超伝導体111系と同じ構造のLaCoX (X=C, Si, Ge, Sn, Pb)の電子・フォノン状態と超伝導2023

    • Author(s)
      川井弘之, 佐野和博, 尾崎泰助, 大野義章
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
  • [Presentation] 第一原理計算に基づくHgTeの圧力下における電子・フォノン状態と超伝導2023

    • Author(s)
      森田経介, 川井弘之, 大野義章
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
  • [Presentation] Possible metallization of Mn-DNA based on the first-principles calculation2022

    • Author(s)
      Takuya Sekikawa, Hiroyuki Kawai, Beomju Hwang, Masato Ishizaka. Yoshiaki Ono
    • Organizer
      nternational Conference on Carbon Chemistry and Materials (CCM-2022)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Electronic structure of layered organic-inorganic hybrid material WO3(4,4’-bipyridyl)0.5 based on the first-principles calculation2022

    • Author(s)
      Takuya Sekikawa, Jeffery L. Tallon, Shen V. Chong, Yoshiaki Ono
    • Organizer
      29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Narrow Band across the Fermi level in modified-DNA based on the first-principles calculation2022

    • Author(s)
      Takuya Sekikawa, Hiroyuki Kawai, Beomju Hwang, Yoshiaki Ono
    • Organizer
      The 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Doping dependence of the superconducting transition temperature in electron-doped SrTiO3 based on the first-principles calculations2022

    • Author(s)
      Riku Ikaida, Kazuhiro Sano, Yoshimi Masuda, Takuya Sekikawa, Yoshiaki Ono
    • Organizer
      The 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Pressure dependence of the superconducting transition temperature in 2M-WS2 and 3R-WS2 based on the first-principles calculations2022

    • Author(s)
      Wang Yu, Takuya Sekikawa, Yoshiaki Ono, Kazuhiro Sano
    • Organizer
      The 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 動的平均場理論によるドープされたハバード模型のスピン一重項と三重項の超伝導感受率Ⅱ2022

    • Author(s)
      猪熊祐輔, 大野義章
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] 第一原理計算による有機分子-金属ハイブリッド系WO3-bipyridylの電子状態2022

    • Author(s)
      関川卓也, Jeffery L. Tallon, Shen V. Chong, 大野義章
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] 第一原理計算による超伝導体La3T4Sn13(T=Co, Rh, Ir, Ru)の電子状態2022

    • Author(s)
      森田経介, 川井弘之, 大野義章
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] 第一原理計算を用いたSrTiO3の電子状態と超伝導II2022

    • Author(s)
      伊海田陸, 関川卓也, 大野義章, 佐野和博, 枡田佳美
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] 第一原理計算による鉄系超伝導体111系と同じ構造をもつLaCoX (X=Si, Ge)の電子状態と超伝導2022

    • Author(s)
      川井弘之, 大野義章, 佐野和博
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] 第一原理計算による遷移金属硫化物WS2の超伝導転移温度の圧力依存性2022

    • Author(s)
      王宇, 関川卓也, 大野義章, 佐野和博
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [Presentation] 第一原理計算によるModified-DNAの電子状態と金属化の可能性2022

    • Author(s)
      関川卓也, 川井弘之, Beomju Hwang, 大野義章
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会

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Published: 2023-12-25  

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