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2016 Fiscal Year Annual Research Report

Bandstructure engineering of topological insulator by using transition-metal oxide

Research Project

Project/Area Number 26800186
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

山内 邦彦  大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (00602278)

Project Period (FY) 2014-04-01 – 2017-03-31
Keywordsトポロジカル物質 / 遷移金属酸化物 / 第一原理電子状態計算
Outline of Annual Research Achievements

新奇トポロジカル絶縁体の物質設計を目標とした遷移金属酸化物の電子状態計算を行った。昨年度に継続してH28年度は酸化物ヘテロ界面のトポロジカル相についての研究を推進した。以前の研究では二層構造をもつ[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、強いスピンバレー結合を示すことを明らかにした。今回は同様にBiAuO3/BiAlO3ヘテロ構造を理論設計し、強いスピンバレー結合(スピンとバレーの二つの自由度の結合)及びトポロジカル相を示すことを明らかにした。このようなトポロジカル相はハニカム構造をもつグラフェン類似物質でよくみられる2次元Z2トポロジカル絶縁相であり、BiAuO3のAu-eg軌道がバンド反転を起こすことがその起源である。一方で、BiAlO3は強誘電体であり、その強誘電歪みが加わることでAu-eg軌道のつくる価電子バンドにスピン軌道結合がみられる。結晶構造を変化させ強誘電歪みを増減した 計算を行ったところ、強誘電ひずみがある程度大きくなったところでトポロジカル絶縁相が破れ、トリヴィアル絶縁相に相転移することが分かった。これは、強誘電歪みによって、Au-eg軌道のバンドがスピン分裂した結果、エネルギーギャップが一度閉じることによってバンド反転が引き起こされるためである。今回、空間反転が破れた系でトポロジカル不変量Z2を計算するため、ハイブリッドワニエ関数による新手法を用いた。また、ベリー曲率を計算することにより、光学励起についても議論を行った。その結果、スピンバレー結合とトポロジカル物質を同時に示す興味深い新物質の設計に成功した。

  • Research Products

    (8 results)

All 2017 2016 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results)

  • [Int'l Joint Research] CNR-SPIN(イタリア)

    • Country Name
      ITALY
    • Counterpart Institution
      CNR-SPIN
  • [Journal Article] Topological phase transition coupled with spin-valley physics in ferroelectric oxide heterostructures2017

    • Author(s)
      Kunihiko Yamauchi, Paolo Barone, and Silvia Picozzi
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 95 Pages: 035146-1-7

    • DOI

      DOI: 10.1103/PhysRevB.95.035146

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Influences of Orientation on Magnetoelectric Coupling at La1-xSrxMnO3/BaTiO3 Interface from Ab Initio Calculations2017

    • Author(s)
      T.T. Nguyen, K. Yamauchi, T. Oguchi, and N. N. Hoang
    • Journal Title

      Journal of Electronic Materials

      Volume: - Pages: 1-7

    • DOI

      DOI:10.1007/s11664-016-5277-8

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Magnetodielectric detection of magnetic quadrupole order in Ba(TiO)Cu4(PO4)4 with Cu4O12 square cupolas2016

    • Author(s)
      K. Kimura, P. Babkevich, M. Sera, M. Toyoda, K. Yamauchi, G.S. Tucker, J. Martius, T. Fennell, P. Manuel, D.D. Khalyavin, R.D. Johnson, T. Nakano, Y. Nozue, H.M. Ronnow, and T. Kimura
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 7 Pages: 13039-1-7

    • DOI

      DOI: 10.1038/ncomms13039

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Aサイト秩序型ペロフスカイト酸化物の磁性2016

    • Author(s)
      豊田雅之、山内邦彦、小口多美夫
    • Journal Title

      固体物理

      Volume: 51 Pages: 389-396

  • [Presentation] Ab initio Theoretical Studies on Multiferroicity in Transition Metal Oxide2016

    • Author(s)
      Kunihiko Yamauchi
    • Organizer
      International Symposium on Magnetism and Magnetic Materials (韓国磁気学会)
    • Place of Presentation
      済州島, Korea
    • Year and Date
      2016-11-23 – 2016-11-26
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] BiMO3 (M:3d 遷移金属元素) の第一原理電子状態計算2016

    • Author(s)
      山内邦彦, 妹尾仁嗣, 中惇, 求幸年
    • Organizer
      日本物理学会
    • Place of Presentation
      金沢大学
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] Spin-Valley Coupling and Topological Phase Transition in Ferroelectric Oxide Heterostructures2016

    • Author(s)
      Kunihiko Yamauchi
    • Organizer
      11th Korea-Japan Conference on Ferroelectrics (KJC-FE11)
    • Place of Presentation
      Sungkyunkwan University, Seoul, Korea
    • Year and Date
      2016-08-07 – 2016-08-10
    • Int'l Joint Research / Invited

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Published: 2018-01-16   Modified: 2022-02-16  

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