2014 Fiscal Year Research-status Report
強相関系の励起子ボーズ凝縮と超伝導に関する微視理論の展開
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26400349
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
太田 幸則 千葉大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (70168954)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 物性理論 / 強相関電子系 / 励起子凝縮 / 遷移金属カルコゲナイド / 変分クラスター近似 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
励起子ボーズ凝縮物質として最近、遷移金属カルコゲナイドTa2NiSe5が注目を集めている。本年度は特に、この系の有効模型に有限温度変分クラスター近似を適用し、その一粒子スペクトルを角度分解光電子分光実験の結果と比較した。これにより、励起子凝縮の転移温度以上でもスペクトルにフラットバンドの異常が現れることを示した。これは、Ta2NiSe5の励起子凝縮状態がボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）の領域にあることを示す重要な証拠である。
また、励起子密度波相にフント結合が果たす役割を、変分クラスター近似の手法を用いて調べた。それにより、フント結合は励起子スピン密度波相を安定化させ、励起子電荷密度波相を不安定化させることを明らかにした。従って、現実のTa2NiSe5や1T-TiSe2といった物質で励起子電荷密度波相が実現するためには、フント結合が有効に作用せず、かつ格子自由度が有効に作用することが必要である。
日本物理学会第70回年次大会（2015年3月、早稲田大学）において、シンポジウム「励起子絶縁体とその周辺の新展開：新物質、BEC-BCSクロスオーバー、圧力誘起超伝導」を実現し、講演「Ta2NiSe5の励起子ボーズ・アインシュタイン凝縮および関連物質の理論」を行った。これにより、励起子凝縮という古い問題に最新の展開があることを広く知らしめることに成功した。
これらに関連する研究として、ディラック・フェルミオン系の金属絶縁体転移に関する研究を変分クラスター近似を用いて展開し、ディラック半金属相とモット絶縁相の間にはスピン液体相は実現しないという結論を与えた。また、遷移金属バナジウム酸化物V6O13の金属絶縁体転移の機構を密度汎関数理論に基づく電子状態計算の手法を用いて調べ、この転移の起源は電荷と軌道の秩序化であることを示した。
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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
励起子ボーズ凝縮物質として最近、遷移金属カルコゲナイドTa2NiSe5が注目を集めている。本研究では、変分クラスター近似を用いて提案する強相関模型を解析し、Ta2NiSe5の励起子ボーズ凝縮の機構と高圧下超伝導の定量的解明を行っている。また、関連する半導体二層系の励起子ボーズ凝縮や、光学格子中の冷却原子フェルミ気体におけるBCS-BECクロスオーバー、遷移金属カルコゲナイド系物質の励起子液体状態と超伝導に関して、第一原理計算、変分クラスター近似、密度行列繰り込み群の手法を駆使し、分野横断的な総合的研究を展開しつつある。
今年度は、この系の一粒子スペクトルを角度分解光電子分光実験の結果と比較し、励起子凝縮の転移温度以上でもスペクトルにフラットバンドの異常が現れることを示した。また、励起子密度波相にフント結合が果たす役割を、変分クラスター近似の手法を用いて調べ、フント結合は励起子スピン密度波相を安定化させ励起子電荷密度波相を不安定化させることを明らかにした。さらに、日本物理学会第70回年次大会（2015年3月、早稲田大学）において、シンポジウム「励起子絶縁体とその周辺の新展開：新物質、BEC-BCSクロスオーバー、圧力誘起超伝導」を実現し、講演「Ta2NiSe5の励起子ボーズ・アインシュタイン凝縮および関連物質の理論」を行った。これにより、励起子凝縮という古い問題に最新の展開があることを広く知らしめることに成功した。また、これらに関連する研究として、ディラック・フェルミオン系の金属絶縁体転移に関する研究や、遷移金属バナジウム酸化物V6O13の金属絶縁体転移に関する研究を進めることができた。
以上の理由により、本研究は、おおむね順調に進展していると評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27～28年度は、Ta2NiSe5について、種々の外場応答に対する微視理論を構築し、この物質が励起子絶縁体であるか否かを検証する。具体的な外場応答として、光学伝導度、スピン・軌道磁化率、核磁気共鳴・超音波吸収におけるコヒーレンス因子の有無を取り扱う。また連続対称性の破れに伴う集団励起モードとしてフォノンのソフト化を検証する。さらに、高圧力下で観測される超伝導の理論を提案する。本研究は、励起子絶縁体の具体的候補物質を、理論解析と実験事実の付き合わせを基に検証する。本研究によって励起子絶縁体の実在が立証されれば、物性物理学の新たな一分野が創出されることになる。
具体的には、励起子絶縁体候補物質Ta2NiSe5に焦点を絞り、この系の外場に対する静的および動的応答の解明を中心にその周辺の現象も含めて次の事柄を順次究明する。(1)光学伝導度スペクトルの温度・圧力依存性の解明、(2)スピン磁化率・軌道磁化率の温度依存性の解明、(3)核磁気共鳴と超音波吸収におけるコヒーレンス因子の温度依存性の計算、(4)長波長フォノンの解析による励起子凝縮に伴う集団励起モードの解明、(5)励起子絶縁体近傍に発現する超伝導の機構への提案、を行う。
平成27年度後期には、物性研短期研究会「低次元電子系におけるエキシトニック相の新展開（仮）」の開催が計画されており、この分野の急速な新展開が期待される。
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| Causes of Carryover |
国際会議（SCES2014）参加のための旅費として予想以上の出費が生じたため物品費を減らしたが、その差額として若干の未使用額が発生した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
未使用額は翌年度分に加算して使用するが、加算分は少額であるため、従前から予定していた使用計画に特段の変更は発生しない。
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Research Products
(26 results)
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[Journal Article] Excitonic Bose-Einstein Condensation in Ta2NiSe5 Above Room Temperature2014
Author(s)
K. Seki, Y. Wakisaka,T. Kaneko, T. Toriyama, T. Konishi, T. Sudayama, N. L. Saini, M. Arita, H. Namatame, M. Taniguchi, N. Katayama, M. Nohara, H. Takagi, T. Mizokawa, Y. Ohta
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 90
Pages: 155116/1-7
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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