• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2022 Fiscal Year Annual Research Report

New frontiers in materials science based on comparisons and integrations between topological materials and metamaterials

Research Project

Project/Area Number 22H00108
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

村上 修一  東京工業大学, 理学院, 教授 (30282685)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 中田 陽介  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (50745205)
平山 元昭  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (70761005)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2027-03-31
Keywordsトポロジカル絶縁体 / トポロジカル半金属 / メタマテリアル
Outline of Annual Research Achievements

トポロジカル相の物理について電子系での特異物性を探索しつつ、メタマテリアルにも普遍的に成立するトポロジカル相の基礎物性の研究を行った。トポロジカル表面状態が出現する結晶表面では表面エネルギーが増加するため、結晶の平衡形状ではその表面の面積は小さくなると予想され、実際モデル計算で実証した。またZ2トポロジカル不変量で特徴づけられるディラック半金属について、マルチヘリコイド表面状態という特異な表面状態との対応を解析的に示し、数値計算で実証した。さらに、2次元絶縁体において系の変化とともにギャップが一旦閉じてワイル半金属となり、直ちにまたギャップが開く場合を考えると、分極の値が不連続にジャンプすることを示し、さらにそのジャンプの量が、中間のワイル半金属でのワイル点同士の相対位置だけで書けるという普遍的な結果を導いた。さらに、PT対称なノーダルライン半金属において、ノーダルラインのトポロジーが変化する事象がモース理論により分類できることを示し、さまざまな点群のもとでそうした事象を分類できることを示した。またスピンレス系のトポロジカル絶縁相・半金属相について、現実物質の材料検討を行った。特にスピンレス系についてはスピン軌道相互作用の有無によるバンド反転・バンド交差の検証ができないことを考慮し、スピンレス半金属相について回転対称性やグライド対称性の観点で空間群を選定し、探索空間の大幅な削減を行った。
さらに、メタマテリアル系におけるトポロジカル現象に関しても分析を進めた。メタマテリアルは電磁波に対する人工結晶として振る舞うため、トポロジカル局在化現象が生じうる。一方で、通常の電子系とは異なり、メタマテリアル系は金属応答(ドルーデ応答)に代表される負の応答を有し、それ特有のトポロジカル現象の発現が期待される。このことに着目し、金属系ならではの局在状態形成メカニズムを理論的に明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

結晶の平衡形状が、トポロジカル相か否かによって変化するという予想をたてて研究を行い、トポロジカル結晶絶縁体の例において確かにそうなるという研究結果を得た。こうした研究の方向性は世界で初めてで、この結果は様々なトポロジカル相へ広く展開が可能であり、今後そうした方向での研究は有望である。また2次元絶縁体において、パラメタ変化によりワイル半金属をはさんで系を変化させる場合の分極ジャンプについては、非常にシンプルで美しく、かつ普遍的な結果が得られた。この結果を踏まえて、様々な物理量がこうした系の変化でジャンプするかどうか検討するという方向性を考えるのも興味深い展開であり、今後検討に値する。
トポロジカル相の物質探索については、電子化物や共有結合性結晶を中心としたトポロジカル材料の選定の方針を見定めることができた。特に、従来バンド反転に不向きとされた軽元素系の化合物についても、空隙電子や結合性の電子を活用することで可能性を見出すことができたため、検討を進めている。またメタマテリアル系のトポロジカル現象に関しては、電磁気学と回路理論を駆使し、その本質解明に挑んだ。この結果、金属を利用したメタマテリアル系では、誘電体フォトニック結晶とは質的に異なるメカニズムでトポロジカルモードが生じうることを理論的に明らかにできた。

Strategy for Future Research Activity

結晶の平衡形状に対するトポロジカル相の影響については、さまざまなトポロジカル相へと研究対象を広げるとともに、実際の物質に即した計算を検討する。また2次元絶縁体において、パラメタ変化によりワイル半金属をはさんで系を変化させる場合に、様々な物理量がジャンプするかどうか、ジャンプする場合はどのようにそのジャンプの大きさが決まるかについて検討する。さらに今年度研究に着手した、絶縁体でのコーナー電荷の量子化について、今までの先行研究は2次元系にほぼ限られているところを、3次元系への展開を検討する。3次元系は結晶形状も多種多様でありどのような結晶形状を考えればよいかは、多面体に関する数学の知識が必要であり、必要に応じて専門家と議論しながら進める。さらに軽元素化合物におけるスピンレス系をはじめとしたトポロジカル相・トポロジカル物性の検討をする。とりわけ、通常のp軌道間のσ結合だけでなく、dp軌道間のσ結合や空隙電子を活用し、空間群の観点から理想的なギャップやフェルミ面を持つ絶縁相・半金属相を探索する。時間反転対称性を破る磁性元素置換の観点から、希土類元素の2+,3+のカチオンも積極的に利用したい。 また、メタマテリアルにおけるトポロジカル現象の理論的な分類を進めるとともにその成果を論文として報告する。さらに、構築した理論をもとにメタマテリアル系において新たなトポロジカル現象を予言し、マイクロ波領域においてその実験的検証を進める。

  • Research Products

    (29 results)

All 2023 2022

All Journal Article (14 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Peer Reviewed: 14 results,  Open Access: 3 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 12 results)

  • [Journal Article] Polarization jumps by breaking symmetries of two-dimensional Weyl semimetals2023

    • Author(s)
      Yoshida Hiroki、Zhang Tiantian、Murakami Shuichi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 107 Pages: 035122

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.107.035122

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Systematic study for two-dimensional Z2 topological phase transitions at high-symmetry points in all layer groups2023

    • Author(s)
      Sasaki Ren、Tanaka Yutaro、Murakami Shuichi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 107 Pages: 115120

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.107.115120

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Morse theory study on the evolution of nodal lines in PT-symmetric nodal-line semimetals2023

    • Author(s)
      Takeichi Manabu、Furuta Ryo、Murakami Shuichi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 107 Pages: 085139

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.107.085139

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Non-Hermitian waves in a continuous periodic model and application to photonic crystals2022

    • Author(s)
      Yokomizo Kazuki、Yoda Taiki、Murakami Shuichi
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 4 Pages: 023089

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.4.023089

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Z2 Dirac points with topologically protected multihelicoid surface states2022

    • Author(s)
      Zhang Tiantian、Hara Daisuke、Murakami Shuichi
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 4 Pages: 033170

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.4.033170

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Rotoinversion-symmetric bulk-hinge correspondence and its applications to higher-order Weyl semimetals2022

    • Author(s)
      Tanaka Yutaro、Takahashi Ryo、Okugawa Ryo、Murakami Shuichi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 105 Pages: 115119

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.105.115119

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Landau levels and magneto-optical transport properties of a semi-Dirac system2022

    • Author(s)
      Sinha Priyanka、Murakami Shuichi、Basu Saurabh
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 105 Pages: 205407

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.105.205407

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Chiral phonons entangled with multiple Hall effects and unified convention for pseudoangular momentum in two-dimensional materials2022

    • Author(s)
      Zhang Tiantian、Murakami Shuichi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 105 Pages: 235204

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.105.235204

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Chiral-phonon-induced current in helical crystals2022

    • Author(s)
      Yao Dapeng、Murakami Shuichi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 105 Pages: 184412

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.105.184412

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Endless Dirac nodal lines in kagome-metal Ni3In2S22022

    • Author(s)
      Zhang Tiantian、Yilmaz T.、Vescovo E.、Li H. X.、Moore R. G.、Lee H. N.、Miao H.、Murakami S.、McGuire M. A.
    • Journal Title

      npj Computational Materials

      Volume: 8 Pages: 155

    • DOI

      10.1038/s41524-022-00838-z

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Anomalous Crystal Shapes of Topological Crystalline Insulators2022

    • Author(s)
      Tanaka Yutaro、Zhang Tiantian、Uwaha Makio、Murakami Shuichi
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 129 Pages: 046802

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.129.046802

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A comprehensive study of complex non-adiabatic exciton dynamics in MoSi2N42022

    • Author(s)
      Kong M.、Murakami S.、Zhang T.
    • Journal Title

      Materials Today Physics

      Volume: 27 Pages: 100814~100814

    • DOI

      10.1016/j.mtphys.2022.100814

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Physics of phonons in systems with approximate screw symmetry2022

    • Author(s)
      Komiyama Hisayoshi、Zhang Tiantian、Murakami Shuichi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 106 Pages: 184104

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.106.184104

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Truly chiral phonons in α-HgS2022

    • Author(s)
      Ishito Kyosuke、Mao Huiling、Kousaka Yusuke、Togawa Yoshihiko、Iwasaki Satoshi、Zhang Tiantian、Murakami Shuichi、Kishine Jun-ichiro、Satoh Takuya
    • Journal Title

      Nature Physics

      Volume: 19 Pages: 35~39

    • DOI

      10.1038/s41567-022-01790-x

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Theory of phonon angular momentum and its conversion into electron spins2023

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      Iwate Univ. spintronics workshop
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Theory of generation and conversion of phonon angular momenta2023

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      ATI 3rd Spintronics Workshop
    • Invited
  • [Presentation] Topological semimetals, topological phase transitions, and candidate materials2023

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      APS March Meeting 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 双対性とメタマテリアル: 接続・非接続のはざまで2022

    • Author(s)
      中田陽介
    • Organizer
      量子と古典の物理と幾何
    • Invited
  • [Presentation] 金属におけるトポロジカル応答の本質2022

    • Author(s)
      中田陽介
    • Organizer
      中田陽介
    • Invited
  • [Presentation] 電気回路のトポロジカルバンド理論構築に向けた基礎方程式の定式化2022

    • Author(s)
      高橋亮, 中田陽介, 村上修一
    • Organizer
      日本物理学会
  • [Presentation] 2次元伝送線路の連続変形により生成するトポロジカル局在状態の観測2022

    • Author(s)
      松平淳哉, 真田篤志, 中田陽介
    • Organizer
      日本物理学会
  • [Presentation] Ab initio material design of strongly correlated and topological systems utilizing covalent bonding2022

    • Author(s)
      平山元昭
    • Organizer
      第32回 日本MRS年次大会
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Non-Bloch Band Theory and Topology in Non-Hermitian Systems2022

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      Topological Quantum Electrons Interacting in-person
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Kinetic magnetoelectric effect in chiral topological insulators2022

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      META 2022
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Corner and hinge charges of obstructed atomic insulators2022

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      CT.QMAT22
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Theory of current-induced and chiral-phonon-induced magnetizations (in low-symmetry systems)2022

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      SpinArgentina
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Theory of current-induced orbital magnetization in chiral metals and topological insulators2022

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      Online seminar series on the CISS effect
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Theory of kinetic magnetoelectric effect in chiral metals and topological insulators2022

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      775 Wilhelm und Else Heraeus seminar: Towards comprehension of the chiral induced spin selectivity
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] カイラル結晶での電流/磁化/カイラルフォノン相互変換の理論2022

    • Author(s)
      村上修一
    • Organizer
      カイラル物質科学の新展開
    • Invited

URL: 

Published: 2024-12-25  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi