2021 Fiscal Year Research-status Report
Theory and verification of electromagnetic duality in Dirac electron systems
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21K03426
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Research Institution | The University of Tokyo |
Principal Investigator |
前橋 英明 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (30361661)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤山 茂樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (00342634)
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Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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Keywords | ディラック電子系 / 電磁双対性 / 量子電磁力学 / 分子性固体 / 反磁性 / 電気伝導度 / 核磁気共鳴 |
Outline of Annual Research Achievements |
ディラック電子系の電磁応答は相対論的場の量子論である量子電磁力学で記述できるため、ローレンツ共変性 (時空の対称性) に対応する電磁双対性(電場応答と磁場応答が本質的に等価であること)をもつ。とくに温度に反比例する軌道反磁性を示す二次元ディラック電子系では、反磁性の比例定数が量子化されたコンダクタンスの値によって決まるという電磁双対性をもつことを理論的に示した。この理論の検証として、二次元レイヤー構造をもつ分子性固体α-(BETS)2I3 の電気伝導度と磁化率を測定した。磁化率の異方性の精密測定によってスピン常磁性と軌道反磁性を分離し、α-(BETS)2I3 が大きな反磁性をもつことを見出すとともに、1レイヤーあたりの電気抵抗値がおおむね量子抵抗標準値を保ったまま温度変化しないことを見出した。理論と実験の詳細な比較により、この物質は有効質量が電子質量の0.3倍で約100Kのバンドギャップをもつ二次元ディラック電子系であることを示し、反磁性と量子化されたコンダクタンスの間に理論が予言する電磁双対性が成り立っていることを明らかにした。一般に固体中電子では相対論的効果である電磁応答の対称性は失われ、電場応答と磁場応答は独立である。しかし、ディラック電子系という特殊な物質ではこの対称性が復活し、電磁応答は本質的に一つのものとみなせることを示した重要な成果である。本研究成果はプレスリリースされ、米国物理学会の科学雑誌『Physical Review Letters』に掲載された。 また最近、ねじれた二層グラフェンにおける温度に比例する抵抗(プランキアン散逸)やワイル半金属で観測されているウィーデマン-フランツ則の破れなど、ディラック電子系関連物質の輸送現象における電子間クーロン相互作用の重要性が指摘されている。これらの問題と関連して輸送現象や熱電効果の理論研究を行い、新たな知見を得た。
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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
本研究の目的は「ディラック電子系における電磁双対性の理論を構築し、その検証を行うことによって、現実のディラック電子系物質の電気的性質と磁気的性質を統一的に理解すること」である。これについて初年度の研究計画通り、理論と実験の密接な協力により、常圧バルクの二次元有機ディラック電子系α-(BETS)2I3が軌道磁化率と電気伝導度の電磁双対性をもつことを明らかにし、その成果をPhysical Review Letters誌に掲載することができた。またプレスリリースすることによりその波及効果に努めた。ただし、低温での軌道磁化率の振る舞いに理論と実験の不一致が見られ、これについては乱れや電子間クーロン相互作用の効果のさらなる検討が必要である。このような理由で、おおむね順調に進展していると判断した。
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Strategy for Future Research Activity |
初年度に出版した論文では、二次元ディラック電子系の電磁双対性を反磁性軌道磁化率と直流電気伝導度の関係として整理したが、理論的に正確には反磁性軌道磁化率と(振動数に依存する)光学電気伝導度との双対性と捉えるのが正しい。このため、α-(BETS)2I3の誘電率の測定を行い、乱れや電子間クーロン相互作用の効果についてより精密な検討を行う。また、α-(BETS)2I3の静的磁化率の研究については初年度で終了させる予定であったが、予想外に他の研究グループからの反響があったため、磁化測定の追加実験や検証も行う。それらと並行して、α-(BETS)2I3以外の分子性固体やねじれた2層グラフェン、ワイル半金属などのディラック電子系関連物質へも対象を広げ、乱れや電子間クーロン相互作用の効果について理論的知見を深めるとともに、研究計画で述べた軌道電流に起因する核磁気緩和率や熱電・熱磁気効果の研究へとつなげる。
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Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症の影響で予定していた旅費が不要になったため、また、初年度の研究成果に予想外の反響があり、磁化測定の追加実験や誘電率の測定を行う必要が生じたため、次年度使用額が生じた。次年度使用額は旅費等、また、磁化測定の追加実験や誘電率の測定のための物品費等に使用する予定である。
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