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ゲージ理論の強結合展開に基づくグラフェンの相構造の解明

Research Project

Project/Area Number 10J08037
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理(理論)
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

荒木 康史  東京大学, 大学院・理学系研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2010 – 2012
Project Status Completed (Fiscal Year 2012)
Budget Amount *help
¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2012: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2010: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Keywords低次元系 / 電子相関 / グラフェン / トポロジカル絶縁体 / 格子ゲージ理論 / 量子色力学 / 強相関電子系 / 強結合展開 / 競合現象
Research Abstract

前年度までにおいて、本研究課題ではグラフェンにおける電子間相互作用の効果とそれに伴う秩序現象に関して、蜂の巣格子上で定義された量子電磁気学(格子ゲージ理論)の記述を基にして議論した。本年度はこれを踏まえ、取り扱う系をグラフェンだけでなく、同様の理論で記述される強相関する2次元電子系へと拡張した。グラフェンと同様に蜂の巣格子構造で記述される系として、2次元トポロジカル絶縁体の有効模型の一つであるKane-Mele模型が存在する。この模型のトポロジカル相構造は電子間相互作用が無い場合についてはKaneとMeleが模型を提唱した当初から良く知られているが、電子間相互作用の下でこの相構造がどのような影響を受けるかは議論の余地がある。
本研究員はこの問題を扱うため、先述の蜂の巣格子上でのゲージ理論の考え方をKane-Mele模型に拡張し、強結合極限におけるスピン密度波(反強磁性)秩序の振舞いについて解析を行った。その結果、相互作用の無い場合には存在しなかった新奇な相が相互作用によって生み出され、トポロジカル相構造も大きく変化することを示した。この相は従来のトポロジカル絶縁体とは異なりギャップレスの南部-Goldstoneモードを持つため、量子ホール効果などの輸送現象も異なる振舞いを示すことが期待される。また、この相構造は強結合における格子QCDの相構造と類似しており、トポロジカル絶縁体の相構造に関して、既に多くの研究が行われている格子QCDの相構造を元に様々な知見が得られることが期待される。本研究の成果は、現在Phys. Rev. B誌に投稿中である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究課題は本来グラフェンという限られた物理系における電子の性質を対象としていたが、本年度はこれをさらに拡張し、グラフェンだけでなく一般的なトポロジカル絶縁体における議論に拡張することができた。
さらに格子ゲージ理論の記述を用いることにより、これによって得られた相構造を量子色力学(QCD)の相構造と関連付けることができた。

Report

(3 results)
  • 2012 Annual Research Report
  • 2011 Annual Research Report
  • 2010 Annual Research Report
  • Research Products

    (26 results)

All 2013 2012 2011 2010 Other

All Journal Article (10 results) (of which Peer Reviewed: 6 results) Presentation (14 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Spin versus charge-density-wave order in graphenelike systems2012

    • Author(s)
      Y. Araki and G. W. Semenoff
    • Journal Title

      Phys. Rev. B

      Volume: 86 Issue: 12 Pages: 121-405

    • DOI

      10.1103/physrevb.86.121402

    • Related Report
      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] グラフェン状の系における秩序現象と相構造2012

    • Author(s)
      荒木康史
    • Journal Title

      素粒子論研究・電子版

      Volume: 13 Pages: 4-4

    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Journal Article] Phase structure of monolayer graphene from effective U(1) gauge theory on honeycomb lattice2012

    • Author(s)
      Yasufumi Araki
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 385 Issue: 12

    • DOI

      10.1103/physrevb.85.125436

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Spontaneous mass gap generation in monolayer graphene with strong coupling expansion of square/honeycomb lattice gauge theory2011

    • Author(s)
      Yasufumi Araki
    • Journal Title

      Journal of Physics : Conference Series

      Volume: 302 Pages: 012022-012022

    • DOI

      10.1088/1742-6596/302/1/012022

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Chiral symmetry restoration in monolayer graphene induced by Kekule distortion2011

    • Author(s)
      Yasufumi Araki
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 84 Issue: 11

    • DOI

      10.1103/physrevb.84.113402

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Chiral symmetry restoration in monolayer graphene induced by Kekule distortion2011

    • Author(s)
      Yasufumi Araki
    • Journal Title

      Proceedings of Science

      Volume: Lattice 2011

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      2011 Annual Research Report
  • [Journal Article] グラフェンにおけるカイラル対称性の破れ・回復とKekule歪み2011

    • Author(s)
      荒木康史
    • Journal Title

      素粒子論研究・電子版

      Volume: Vol.11,No.1 Pages: 158-160

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Journal Article] Chiral Symmetry Breaking in Monolayer Graphene by Strong Coupling Expansion of Compact and Non-compact U (1) Lattice Gauge Theories2011

    • Author(s)
      Yasufumi Araki
    • Journal Title

      Annals of Physics

      Volume: 印刷中(掲載確定)

    • Related Report
      2010 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Chiral Gap and Collective Excitations in Monolayer Graphene from Strong Coupling Expansion of Lattice Gauge Theory2010

    • Author(s)
      Yasufumi Araki, Tetsuo Hatsuda
    • Journal Title

      Physical Review B (Rapid Communications)

      Volume: 82 Pages: 12140-12140

    • Related Report
      2010 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Chiral symmetry of graphene and strong coupling lattice gauge theory2010

    • Author(s)
      Yasufumi Araki, Tetsuo Hatsuda
    • Journal Title

      Proceedings of Science

      Volume: LATTICE2010 Pages: 45-45

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      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] グラフェン状の強相関系におけるトポロジカル秩序と格子フェルミオン2013

    • Author(s)
      荒木康史
    • Organizer
      日本物理学会 第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学(広島)
    • Year and Date
      2013-03-27
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Topological orders in graphenelike systems and lattice gauge theory2013

    • Author(s)
      Yasufumi Araki
    • Organizer
      International Symposiul on "Strongly Correlated Quantum Science"
    • Place of Presentation
      東京大学(東京)
    • Year and Date
      2013-01-27
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] グラフェン状の系における電荷密度波とスピン密度波の競合2012

    • Author(s)
      荒木康史
    • Organizer
      日本物理学会2012年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学(横浜)
    • Year and Date
      2012-09-19
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] グラフェン状の系における秩序現象と相構造2012

    • Author(s)
      荒木康史
    • Organizer
      基研研究会「熱場の量子論とその応用」
    • Place of Presentation
      京都大学基礎物理学研究所(京都)
    • Year and Date
      2012-08-23
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Phase structure of graphene-like system from effective U(1)gauge theory on honeycomb lattice2012

    • Author(s)
      Yasufumi Araki
    • Organizer
      Graphene Week 2012
    • Place of Presentation
      デルフト(オランダ)
    • Year and Date
      2012-06-04
    • Related Report
      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Phase structure of monolayer graphene from effective U(1) gauge theory on honeycomb lattice2012

    • Author(s)
      Yasufumi Araki
    • Organizer
      RIKEN-APW-APCTP Joint Workshop "Recent trends in condensed matter physics"
    • Place of Presentation
      埼玉県和光市
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Chiral symmetry restoration in graphene induced by Kekule distortion2011

    • Author(s)
      Yasufumi Araki
    • Organizer
      Lattice2010 (The 28th International Symposium on Lattice Field Theory)
    • Place of Presentation
      Squaw Valley (USA)
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Sublattice symmetry breaking and lattice distortion in monolayer graphene by strong coupling expansion of honeycomb lattice gauge theory2011

    • Author(s)
      Yasufumi Araki
    • Organizer
      The 19th international conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS19)
    • Place of Presentation
      Tallahassee (USA)
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] グラフェンにおけるカイラル対称性の破れ・回復とKekule歪み2011

    • Author(s)
      荒木康史
    • Organizer
      基研研究会「熱場の量子論とその応用」
    • Place of Presentation
      京都府京都市
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      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Spontaneous mass gap generation in monolayer graphene with strong coupling expansion of square/honeycomb lattice gauge theory2011

    • Author(s)
      Yasufumi Araki
    • Organizer
      東京工業大学GCOE研究会nano PHYS'11
    • Place of Presentation
      国際文化会館(東京都港区)
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] Chiral Symmetry of Graphene and Strong Coupling Lattice Gauge Theory2010

    • Author(s)
      Yasufumi Araki, Tetsuo Hatsuda
    • Organizer
      Lattice 2010 (The 28th international symposium on lattice field theory)
    • Place of Presentation
      Villasimius, Italy
    • Year and Date
      2010-06-17
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] Chiral Gap and Collective Excitations in Monolayer Graphene from Strong Coupling Expansion of Lattice Gauge Theory2010

    • Author(s)
      Yasufumi Araki
    • Organizer
      Electronic Properties of Graphene : 2010
    • Place of Presentation
      Princeton Center for Theoretical Science (US)
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] 強結合U(1)ゲージ理論に基づくグラフェンのカイラル対称性と電子物性2010

    • Author(s)
      荒木康史
    • Organizer
      基研研究会「熱場の量子論とその応用」
    • Place of Presentation
      京都大学基礎物理学研究所
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Presentation] Chiral Gap and Collective Excitations in Monolayer Graphene from Strong Coupling Expansion of Lattice Gauge Theory2010

    • Author(s)
      Yasufumi Araki
    • Organizer
      New frontiers in graphene physics
    • Place of Presentation
      ECT^*(Italy)
    • Related Report
      2010 Annual Research Report
  • [Remarks]

    • URL

      http://quark.phys.s.u-tokyo.ac.jp/~araki/index-j.html

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Remarks]

    • URL

      http://quark.phys.s.u-tokyo.ac.jp/~araki/

    • Related Report
      2010 Annual Research Report

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Published: 2010-12-03   Modified: 2024-03-26  

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