2016 Fiscal Year Annual Research Report
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26287062
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
村上 修一 東京工業大学, 理学院, 教授 (30282685)
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2014-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | トポロジカル絶縁体 / 表面状態 / 輸送現象 / スピンエレクトロニクス / トポロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は以下の３項目について研究を行った。第一に、映進対称性を持つトポロジカル結晶絶縁体について、通常の絶縁体との間での相転移の一般論を構築した。結果として、これらの2種類の絶縁体相の間には必ずワイル半金属相が挟まることを見いだした。またそのワイル半金属相でどのようにワイル点が移動すると相転移が起こるかについて一般論を構築し、具体的なモデルで実際にどのように相転移が起こるかを例示し、ワイル半金属のフェルミアーク表面状態がトポロジカル結晶絶縁体相のディラックコーンに発展する様子を示した。これは電子系のみならずフォトン、マグノン系などにも適用できる一般的で重要な結果で、トポロジカル結晶絶縁体相を示す物質系探索にも重要な示唆を与える。第二に、ワイル半金属と絶縁体との超格子で現れる物質相を理論的に解明した。ワイル点同士を結ぶベクトルと積層方向との相対関係で２つの積層パターンを考え、各層の厚さを変えることで出現する相図を、有効模型と格子模型の２つで計算した。特に一つの積層パターンではさまざまなチャーン数の量子異常ホール相が出るという興味深い結果が得られた。さらにこれらをワイル半金属でのフェルミアーク表面状態の混成という立場から解釈した。第三に、トポロジカル半金属の一種であるノーダルライン半金属に関して、ノーダルラインが表面での分極電荷をもたらすことを理論的に示した。第一原理計算で、Ca, Srなどのアルカリ土類金属についてはフェルミエネルギー上にノーダルラインがあることを示し、さらに高圧下でノーダルライン半金属になることを示した。さらにこのノーダルラインがザック位相の飛びをもたらすことから、ノーダルラインで囲まれた波数空間の領域では表面に巨大な量子化分極電荷が現れることを示した。またこの表面分極電荷がどのようにバルクキャリアでスクリーンされ、表面で電気双極子が現れる事を示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
ワイル半金属について、圧力などの外部パラメタを変化させたときのバンド構造の変化やその物質探索について成果をまとめることが出来た。これは空間反転対称性を持たない全ての空間群、全ての波数ベクトルについて、ギャップがどのように閉じるかを網羅的に調べ、必ずトポロジカル半金属となることを示したものである。これは空間反転対称性をもたない固体結晶全てに適用できる汎用的な結果であって、トポロジカル半金属物質を探索する上で非常に強力な武器となり、実際本研究でいくつかのトポロジカル半金属の新物質を発見することができた。これは今後の実験・理論研究に大きな波及効果をもたらすものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究の対象をより広い範囲に広げる。具体的には例えばスピンレス系を想定していて、これはスピン軌道相互作用の無視できる電子系に限らず、マグノン、フォトン系などのボゾン系にも適用できる。これについて例えば映進対称性や鏡映対称性があるとそれに伴うトポロジカル相があり、そうした系においてバンドギャップが閉じるときのバンド構造の変化について調べる。別の研究の方策として、さまざまなトポロジカル物質を超格子や薄膜にしたときに現れる相についても引き続き調べる。
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| Causes of Carryover |
研究の進展に伴い、第一原理計算による物質探索をより強力に推進する必要が出てきたため、そうした研究内容に関する研究打ち合わせや成果発表を次年度に行う予算を確保することとなった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
海外での研究打ち合わせおよび研究成果発表
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