2023 Fiscal Year Research-status Report
Theory for nanographene device design by quantum many-body effects
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22K04864
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
草部 浩一 兵庫県立大学, 理学研究科, 教授 (10262164)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森下 直樹 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究開発員 (20815790)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | グラフェン / 量子コンピュータ / 量子スピン系 / NMR / エンタングルド状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に設計した2次元S=3/2反強磁性ハイゼンベルグ系の設計法を適用して、2Dナノグラフェン、VANG-Aナノグラフェン、VANG-Bナノグラフェンの設計を行った。これらの物質構造は、密度汎関数法計算による構造最適化結果として与えられ、構造の安定性が理論上確認されている。その上で、設計段階で期待された非結合性軌道が表れることも確認した。それは、平均場評価の段階での軌道決定結果であるバンド構造において、平坦性の極めて高い局在性軌道バンドが、設計上期待される６本ずつ現れたというものである。平坦性バンドの幾つかは、さらに上下２つのバンチに別れている。これは、設計段階で期待したゼロモードが、隣接する２つずつペアとなり、結合性と反結合性の軌道に分裂した結果である。さらに、有効相互作用評価を進めると、これらのゼロモード上の遮蔽相互作用強度が、このバンドスプリットを遙かに凌駕して現れることが確認された。即ち、理想的な強相関状態が発生しているのである。この強相関状態にあるゼロモードの集団は、まず強磁性直接交換相互作用が強く効いて、S=3/2スピン状態を形成することも確認された。さらに、得られたS=3/2スピン間には、バンドスプリットを与えると確認された軌道間トランスファー積分により、原子極限（強相関極限）からの摂動として、反強磁性運動交換相互作用を発生する。その結果として、2次元S=3/2ハイゼンベルグスピン系が、期待通り発生することが確認された。この結果は、予想外の点を含むものであり、本研究に参加した複数の研究者による貢献が大きかったと考えている。
この様にして、電子スピンから構成される量子スピン系の有効ハミルトニアン決定を行った。結果として、ハイゼンベルグスピン系が様々な形態で現れる例を得た。この成果は、現在J. Phys. Soc. Jpn.に投稿して審査を受けているところである。
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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
測定型量子演算素子を与える物質解に向けて、2023年度には基盤となる2次元ナノグラフェン構造の設計事例を提供することに成功した。これは、物質構造の中に局所高スピン状態を安定に発生させることが出来ていることの確認、その局所スピン間磁気相互作用の評価、そして、物質構造の安定性確認を通して確定させることが出来る。これらの点を確認した結果、S=3/2ハイゼンベルグスピン系の提供が出来たことを、情報公開した。(J. Phys. Soc. Jpn.に投稿中、arXiv:2405.06249)
この例は、ポルトガルとスペインの共同(Nano Letters 24 (2024) 3355)に対して、本質的な差異があると言える。即ち、S=3/2スピンを与える３つのゼロモードは、一つのPTM構造上に発生しているが、お互いに特定される炭素上のπ軌道を共有するものとして、波動関数の空間的重なりをもち、強磁性直接交換相互作用が強く働く。このような分子設計は、本研究のみが採用しているpoly-PTMの設計手法においてのみ実現されることが分かっている。その結果として、Nano Lettersの分子設計と比較して、局所S=3/2スピンの安定性の点で性能が上回っていることが期待できる。
今年度は、関連する原子層物質に関わる物質設計・評価手法についての展開も行った。Bi2Se3の光電子顕微鏡像に現れた原子層物質特有の構造不安定性に関連して、多様な表面状態が現れていることの評価方法として、局所状態密度を用いたディラック状態の可視化手法を公開した。(Sci. Rep. in press.) また、hBNとグラフェンの積層構造特有の電子状態発生を元にした、スピン流の制御方法の設計事例についても、その解析方法を検討した。
これらの成果から、本研究計画が概ね順調に（又は当初の想定以上に）進展しているものと評価される。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度に、ユニバーサル量子計算リソース状態(URS)を与えるための物質設計に必要な条件の割り出しを行った結果、炭化水素構造に加えて、ゼロモード起源のPTM上S=3/2スピン間の有効磁気相互作用を変調することで、目的とするAKLT状態またはハルデン相内にある状態を発生することが可能であると分かってきた。この変調は、既に設計済みの反強磁性相互作用とは別の相互作用経路に、強磁性の有効相互作用を与えることで機能する。このルートのためには、酸素や窒素等のヘテロ原子導入、若しくは磁性元素導入により、物質設計としても提供できると予想される。
磁性元素を導入する設計では、全体の物質構造上の磁性を確定していくことに実験上必ずしも容易でない副次的効果が現れることが予想される。そこで、2024年度の物質設計では、特に酸素若しくは窒素を含む官能基をナノグラフェン構造上に形成する可能性について、考察を進めることとする。
このような物質設計としてAffleck-Kennedy-Lieb-Tasaki状態(AKLT状態)発生までを想定できている計算事例は、確認している限りではまだない。欧米の例でも、AKLT状態そのものを結論したものは見当たらない。そこで、2024年度ではURSを発生していると言える積極的なAKLT状態を示す物質設計を試みる計画とする。
それに加えて、2023年度に見出していたスピン・電流回転相互作用についても、理論検討を進める。また、ユニバーサル量子計算において量子過程から素子構造を導くアルゴリズムについても、継続して検討する。
ナノグラフェン基板上の吸着分子構造と動力学の決定計算手法、グラフェン等の原子層物質を用いたデバイスの設計法、構造決定の高速化計算法、格子振動決定計算手法など、ナノグラフェン量子多体効果デバイスの設計に適用可能な方法論の研究も平行して進めていく。
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[Journal Article] Surface Terminations Control Charge Transfer from Bulk to Surface States in Topological Insulators2024
Author(s)
K. Fukumoto, S. Lee, Y. Suzuki, K. Kusakabe, M. Kitatani, R. Yamamoto, K. Ishida, Y. Nakagawa, D. Shiga, H. Kumigashira, M. Merkel, S. Adachi,
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Journal Title
Scientific Reports (in press)
Volume: in press
Pages: -
Peer Reviewed / Open Access
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