2016 Fiscal Year Annual Research Report
第一原理計算を用いた新奇トポロジカル物質の探索
Publicly Offered Research
| Project Area | Frontiers of materials science spun from topology |
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| Project/Area Number |
16H00993
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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) |
2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | トポロジカル物質 / ワイル半金属 / 第一原理電子状態計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はB01「トポロジーと対称性」実験班と連携し、光電子分光で得られたトポロジカル物質の電子構造を解明するべく第一原理電子状態計算を行っている。研究は予定通りに進んでおり、H28年度はワイル半金属であるNbPおよびTeの単結晶について研究を行い、実験結果と比較することでトポロジカル物質に特有な電子状態構造を明らかにした。
NbPは代表的なワイル半金属であるTaAsの類似物質であり、結晶構造が反転対称性をもたないことから運動量空間の一般点でワイル点（磁気単極子）をもつ。光電子分光ではNbPの表面状態に起因する電子状態が得られており、ワイル点をつなぐフェルミアークと呼ばれる特異なフェルミ線が見られている。電子状態計算ではスラブ模型と呼ばれるスーパーセルを用いた計算を行い、実験で見られている表面状態がトポロジカル物性によるものであることを確かめた。
Teは反転中心および鏡面をもたないカイラル結晶構造を示す。このため、通常のワイル半金属とは異なり、ワイル点が対称点で生じることが許されている。過去にTeが新しいワイル半金属であると理論予想されていたが、今回、光電子分光とバンド計算の共同研究でそれを実証した。その結果、価電子バンドの頂点付近にワイル点が存在し、スピン分極が発散していることが明らかになった。
さらに理論先行のシミュレーションを行い、遷移金属酸化物を用いた新しいトポロジカル物質を物質設計した。ハニカム構造が2次元のトポロジカル絶縁相を実現しており、構造歪みによってトポロジカル状態が制御できることを示した。
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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
当初予定していた「実験班との連携による物性評価」は大変順調に進んでいる。実験班との連携は綿密に進んでおり、この1年間でワイル半金属についての共著論文を2本発表している。次年度に向けた研究についても議論しており、今後の発展も期待できる。実験結果と計算結果の比較は時として困難であるが、本研究の対象となったワイル半金属NbPではスラブ模型を用いた大規模計算を行うことによって表面状態を再現し実験結果との比較に成功している。また、ワイル半金属Teでは、価電子帯の運動量空間におけるスピン分極を計算するため、仮想的に圧力を印加した結晶構造を用いてスピンの湧き出し（ワイル点）が存在することを明らかにしている。また、電子状態計算の過程で、Teのカイラル結晶構造がもつ特異性について知見を深めることができた。カイラル構造をもつ非磁性体では、ワイル点が湧き出しと吸い込みのペアを作らず、シングルのワイル点が対称点で存在できることが分かった。このような物理は過去にあまり議論されておらず、緊急に研究を進めていく必要があると思われる。そのため、次年度はカイラル構造のワイル半金属についての理論研究に重点を置く。こうした新しいアイデアが得られたという点で進捗は順調である。また、理論先行の研究も進んでおり、遷移金属酸化物を用いたヘテロ構造を新たに物質設計し、構造歪みがトポロジカル相転移を生じることを明らかにしており、今後の発展が期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
H29年度は、ディラック半金属として注目されているZrSiS類似物質について光電子分光との共同研究を計画している。ZrSiSは自然界にも存在する無毒の物質であり、三元化合物のため類似物質として様々な原子の組み合わせが考えられ、トポロジカル物性を開拓するためには格好の舞台となる。実験班の計画に従って関連物質でバルク結晶およびスラブ構造の電子状態計算を行い、光電子分光で見られているディラックノードアークと呼ばれる特異な表面バンドが何に起因しているかを明らかにしたい。
また、H28年度で行った共同研究からの継続で、Te結晶などを対象としたカイラル結晶構造をもつワイル半金属についての理論研究を予定している。 特に、ワイル点の同定のため、ベリー曲率を面積分しカイラルチャージの計算を行う。さらに、群論的手法の一つであるk.p摂動を用いて運動量空間でベリー曲率・スピン分極がどのように記述できるか調べる。研究過程でカイラル結晶におけるワイル点についての包括的な理論的考察を深めたい。
以上に挙げたトポロジカル物質は、圧力効果や原子置換効果によってトポロジカル相とトリヴィアル相の間の相転移を生じる可能性がある。このような相転移現象は電子状態・電子軌道の性質・スピン軌道相互作用などが関係していて物理的に大変興味深い。上記の実験との連携が一段落した際には、新物質探索を目標とし、様々な物質で圧力効果・原子置換効果、さらにトポロジカル物質同士のヘテロ接合を想定したシミュレーションを予定している。
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[Journal Article] Direct observation of nonequivalent Fermi-arc states of opposite surfaces in the noncentrosymmetric Weyl semimetal NbP2016
Author(s)
S. Souma, Zhiwei Wang, H. Kotaka, T. Sato, K. Nakayama, Y. Tanaka, H. Kimizuka, T. Takahashi, K. Yamauchi, T. Oguchi, Kouji Segawa, and Yoichi Ando
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 93
Pages: 161112-1-6
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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