2015 Fiscal Year Research-status Report
遷移金属酸化物を用いたトポロジカル絶縁体のバンドエンジニアリング
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26800186
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
山内 邦彦 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (00602278)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | トポロジカル絶縁体 / 第一原理計算 / 遷移金属酸化物 / 強誘電体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、遷移金属酸化物を中心とした新奇トポロジカル絶縁体のマテリアルデザインを目標とした電子状態計算を行っている。H27年度は、当初の研究計画として予定されていた酸化物ヘテロ界面のトポロジカル相について研究を続行した。LiNbO3のようなペロブスカイト型強誘電酸化物のBサイトを非磁性5d遷移金属元素で置換すると、強いスピン軌道相互作用によってバンド構造に大きなスピン分裂が生じる。様々な元素で置換し電子状態の変化を調べたところ、BiIrO3が大きな強誘電分極を示し、価電子帯頂点で巨大なスピン分裂を生じることが明らかになった。この効果は、通常の「表面Rashba効果」とは異なる「バルクRashba効果」特有の性質をもち、強誘電分極と相関して運動量空間のスピンテキスチャが変化するという興味深い物性を示す。さらに、二層構造をもつ[111]積層BiIrO3を強誘電体BiAlO3で上下に挟んだBiIrO3/BiAlO3ヘテロ構造を理論設計したところ、価電子帯バンドの頂上で巨大なスピン分裂が見られ、強いスピンバレー結合を示すことが明らかになった。このスピン分極は結晶の強誘電構造を変化させることで符号を反転することが可能であり、電気分極・スピン分極・バレーの3つの自由度が交差相関する複合秩序を示すことが明らかとなった。さらに、ペロブスカイトの構造歪みがバレーとスピン分裂の結合に及ぼす影響について、強束縛模型を用いた考察を行った。グラフェン・シリセンなどの参照物質と電子状態を比較し、K点でのスピン分極の微視的起源について議論した
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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
H26-H28年度にわたって、スピン軌道相互作用・原子間混成効果・磁気秩序・強誘電性など複数の異なるメカニズムを介した特異なトポロジカル絶縁体の開発をめざしている。
H26年度は、 熱電物質に関する課題を達成し、強誘電体BaTiO3が高い熱電効率を示すことを明らかにした。
H27年度は、 強誘電界面に関する課題に集中し、順調に研究を進展させた。当初トポロジカル絶縁体の発現を目指して設計したBiIrO3/BiAlO3ヘテロ構造では、上記のようにスピンバレー結合という非常に興味深い現象が見られ、これまで報告のなかった強誘電酸化物におけるスピンバレー結合を初めて議論した。この成果は物理の分野で権威のあるPhysical Review Letters誌に掲載され、Editor’s Suggestionに選ばれた[Phys. Rev. Lett. 115,037602/1-5 (2015)]。この研究の大きな成果は、ヘテロ構造の強誘電歪みを制御することによってK点でのスピン分極を反転することを示したことであり、将来的なスピントロニクス応用へと繋がる可能性が注目された。また本研究の枠組みで、共同研究者であるPaolo Barone博士（イタリア国立研究所）による強束縛模型の計算によって、スピン分極の微視的機構を調べ 、グラフェン・シリセン・MoS2など代表的なバレートロニクス物質と電子状態を比較することで酸化物ヘテロ構造の特異性、および、強誘電とスピン・バレーの相関を明らかにした。
また、研究開始時の研究計画に挙げたトポロジカル不変量の計算手法開発においても進展があった。Soluyanov-Vanderbiltによって提案されたhybrid Wannier centerを用いる手法 [A. A. Soluyanov and D. Vanderbilt, Phys. Rev. B 83, 235401 (2011)] を電子状態計算に適用し、幾つかの物質でトポロイジカル不変量Z2数を計算することが可能となった。これにより、今後のトポロジカル物質に関する研究の進展が見込まれる。
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| Strategy for Future Research Activity |
残るH28年度は、酸化物界面のトポロジカル相の発現について研究を続け、本研究を総括したい。数年前に理論グループによってLaAuO3/LaAlO3界面がトポロジカル相を示すことが報告されている[D. Xiao, et al. Nat. Commun. 2, 596 (2011)]。これを基に、強誘電体を用いたBiAuO3/BiAlO3界面で電子状態計算を行う。前述したhybrid Wannier centerの方法を用いることで、トポロジカル不変量を計算したところ、LaAuO3/LaAlO3は確かにトポロジカル絶縁体であるが、BiAuO3/BiAlO3はトリビアルな絶縁体であることがわかった。これは、構造の極性歪みがK点でのバンド交換を引き起こし、トポロジカル・トリビアル相転移を引き起こしたと考えられる。今後、ワニエ関数やベリー曲率の計算を行い、構造相転移による電子状態の変化を詳細に調べ、強誘電性とトポロジカル物性との相関について議論したい。時間に余裕があれば、酸化物以外のグラフェン類似物質で同様の物性を示すものを探索し、スピン・バレー結合およびトポロジカル相が両立できる物質を発見したい。
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| Causes of Carryover |
海外出張の後に10万円以下の金額が残り、次の海外旅費として使用するのには足りなかったため、次年度に繰り越すことにした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度の配分額と合わせて、夏頃に予定している海外出張に利用する。
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Research Products
(7 results)
