Strongly correlated quantum phases in 5d transition metal oxides with a strong spin-orbital coupling

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25287096
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 柚木 清司 国立研究開発法人理化学研究所, 柚木計算物性物理研究室, 准主任研究員 (70532141)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 白川 知功 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (40571237) ; 渡部 洋 早稲田大学, 付置研究所, 助教 (50571238)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: スピン軌道相互作用 / 遷移金属酸化物

Outline of Annual Research Achievements

まず、スピン軌道相互作用が強い遷移金属酸化物の中で、5個のd電子を有し、しかも二次元ハニカム格子状の結晶構造を持つNa2IrO3、Li2IrO3、LiRhO3、RuCl3等の電子状態を三軌道ハバード模型を解析することで調べた。これらの物質群では、d軌道の特徴的なホッピングのため、電子がハニカム格子の六員環中に閉じ込められた分子軌道型バンド絶縁体が実現すると期待されていた。しかしながら、我々の数値的厳密対角化法を用いた解析から、スピン軌道相互作用の他に、電子間相互作用も分子軌道型バンド絶縁体に対してdestructiveであることを明らかにした。スピン軌道相互作用／電子間相互作用を増すに従って、分子軌道型バンド絶縁体から相対論的モット絶縁体にクロスオーバーするが、この特徴が光学伝導度および非弾性X線散乱スペクトルにどのように現れるかも明らかにした。
次に、SrIrO3においてIrをSnに置換した場合に電子状態がどのように変化するかを第一原理バンド計算をもとに解析した。その結果、SrIrO3は非磁性金属であるが、Snを数％注入するとGタイプの反強磁性体が出現することを明らかにした。実験グループとの共同研究により、Snを注入して現れた反強磁性体はスレータ型の反強磁性体であることを明らかにした。スレータ型反強磁性体とは、反強磁性が現れる転移温度で電子状態に一粒子励起ギャップが有限になる物質群で、これまで数物質しか知られていなかった。したがって、この物質は、数少ないスレータ型反強磁性体として非常にユニークである。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Chinese Academy of Sciences(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Chinese Academy of Sciences
• [Int'l Joint Research] University of Texas/Oak Ridge National Laboratory/University of Tennessee(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Texas/Oak Ridge National Laboratory/University of Tennessee
  • # of Other Institutions: 3
• [Int'l Joint Research] University of Wurzburg/Max-Plank-Institute(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: University of Wurzburg/Max-Plank-Institute
• [Journal Article] Electronic properties and applications of MXenes: a theoretical review (2017)
  • Author(s): Mohammad Khazaei, Ahmad Ranjbar, Masao Arai, Taizo Sasaki, and Seiji Yunoki
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry C Volume: 5 Pages: 2488-2503
  • DOI: 10.1039/C7TC00140A
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] From a Quasimolecular Band Insulator to a Relativistic Mott Insulator in t_2g^5 Systems with a Honeycomb Lattice Structure (2016)
  • Author(s): Beom Hyun Kim, Tomonori Shirakawa, and Seiji Yunoki
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 117 Pages: 187201/1-5
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.187201
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Slater Insulator in Iridate Perovskites with Strong Spin-Orbit Coupling (2016)
  • Author(s): Q. Cui, J.-G. Cheng, W. Fan, A. E. Taylor, S. Calder, M. A. McGuire, J.-Q. Yan, D. Meyers, X. Li, Y. Q. Cai, Y. Y. Jiao, Y. Choi, D. Haskel, H. Gotou, Y. Uwatoko, J. Chakhalian, A. D. Christianson, S. Yunoki, J. B. Goodenough, and J.-S. Zhou
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 117 Pages: 176603/1-5
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.176603
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Three-dimensional electronic structures and the metal-insulator transition in Ruddlesden-Popper iridates (2016)
  • Author(s): A. Yamasaki, H. Fujiwara, S. Tachibana, D. Iwasaki, Y. Higashino, C. Yoshimi, K. Nakagawa, Y. Nakatani, K. Yamagami, H. Aratani, O. Kirilmaz, M. Sing, R. Claessen, H. Watanabe, T. Shirakawa, S. Yunoki, A. Naitoh, K. Takase, J. Matsuno, H. Takagi, A. Sekiyama, and Y. Saitoh
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 94 Pages: 115103/1-10
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.115103
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Brillouin-zone integration scheme for many-body density of states: Tetrahedron method combined with cluster perturbation theory (2016)
  • Author(s): K. Seki and S. Yunoki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 93 Pages: 245115/1-11
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.245115
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Topological insulators in the ordered double transition metals M′2M′′C2 MXenes (M′= Mo, W; M′′= Ti, Zr, Hf) (2016)
  • Author(s): Mohammad Khazaei, Ahmad Ranjbar, Masao Arai, and Seiji Yunoki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 94 Pages: 125152/1-9
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.125152
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nearly free electron states in MXenes (2016)
  • Author(s): Mohammad Khazaei, Ahmad Ranjbar, Mahdi Ghorbani-Asl, Masao Arai, Taizo Sasaki, Yunye Liang, and Seiji Yunoki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 93 Pages: 205125/1-10
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.205125
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Microscopic model study of strongly correlated 5d transition metal Ir oxides (2016)
  • Author(s): Seiji Yunoki
  • Organizer: IUMRS 2016 Symposium Z
  • Place of Presentation: Qingdao (China)
  • Year and Date: 2016-10-21 – 2016-10-24
  • Int'l Joint Research / Invited