炭素系超伝導体の強相関第一原理計算：電子電子相互作用と電子格子相互作用の拮抗

• 研究課題/領域番号: 12J08652
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 物性Ⅱ(磁性・金属・低温)(理論)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 野村 悠祐 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 2,700千円 (直接経費: 2,700千円); 2014年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2013年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2012年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 超伝導 / フラーレン / 電子格子相互作用 / 強相関電子系 / 第一原理計算 / downfolding / 動的平均場理論 / モット転移

研究実績の概要

アルカリ金属をドープしたフラーレン化合物の超伝導について第一原理による研究を行った。この系においては、s波超伝導に隣接してモット絶縁体相が存在するが、それに対する統一的理解はこれまでなされてこなかった。本研究においては、第一原理計算により、フェルミエネルギー近傍のバンドと格子振動（フォノン）の自由度を含んだ低エネルギー有効ハミルトニアンを導出した。有効的な電子間相互作用はクーロン相互作用（斥力）とフォノンを媒介とする相互作用（引力）の和で表される。密度密度型の相互作用は前者がはるかに大きいのに対し、交換相互作用においてはフォノン媒介の引力が上回り、有効的に負の交換相互作用及びペア・ホッピング相互作用が実現していることが第一原理計算により明らかになった。
得られたハミルトニアンを拡張動的平均場理論で解析することにより、s波超伝導相にモット絶縁体相が隣接した相図を理論的に再現することに成功した。また、超伝導転移温度に関しても理論により得られた最高転移温度は28 K程度と、実験の35 Kを非常によく再現することがわかった。詳細な解析により、超伝導の本質は
1. 負の交換相互作用に対応して軌道間斥力が軌道内斥力が大きくなることによる軌道内ペアの生成
2. ペア・ホッピング相互作用による軌道内ペアの他の軌道への散乱（スール・近藤機構）
であることが明らかになった。負の交換相互作用が実現するのはフォノンの存在によるので、この超伝導にはフォノンが本質的な役割を果たしている。しかしながら、従来型のフォノン超伝導と違うのは、強相関効果が超伝導を助ける点にある。相関効果によって電子の運動エネルギーが減少することにより１の機構がより有効的に働くためである。よって、フラーレン超伝導体はフォノンと電子相関が協力しあって高温s波超伝導を実現しているような全く新しいタイプの超伝導体であることがわかった。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Correlation effects in (111) bilayers of perovskite transition-metal oxides (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Okamoto, Wenguang Zhu, Yusuke Nomura, Ryotaro Arita, Di Xiao, and Naoto Nagaosa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 号: 19
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.195121
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Multi-orbital cluster dynamical mean-field theory with an improved continuous-time quantum Monte Carlo algorithm (2014)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura, Shiro Sakai, and Ryotaro Arita
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 号: 19
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.195146
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] First-Principles Study of the Honeycomb-Lattice Iridates Na2IrO3 in the Presence of Strong Spin-Orbit Interaction and Electron Correlations (2014)
  • 著者名/発表者名: Youhei Yamaji, Yusuke Nomura, Moyuru Kurita, Ryotaro Arita, Masatoshi Imada
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 113 号: 10
  • DOI: 10.1103/physrevlett.113.107201
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of Electron-Phonon Interactions on Orbital Fluctuations in Iron-Based Superconductors (2014)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura, Kazuma Nakamura, and Ryotaro Arita
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 112
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanism of enhanced optical second-harmonic generation in the conducting pyrochlore-type Pb_2Ir_2O_<7-χ>oXide compound (2013)
  • 著者名/発表者名: Yasuyuki Hirata, Makoto Nakajima, Yusuke Nomura, Hiroyuki Tajima, Yoshitaka Matsushita, Keiko Asoh, Yoko Kiuchi, Adolfo G. Eguiluz, Ryotaro Arita, Tohru Suemoto, and Kenya Ohgushi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 110
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local strain and anharmonicity in the bomding of Bi_2Se_〈3_χ〉Te_χ topological insulators (2013)
  • 著者名/発表者名: Keeseong Park, Yusuke Nomura, Ryotaro Arita, Anna Llobet, and DespinaLouca
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 88
  • 査読あり
• [雑誌論文] Polar Antiferromagnets Produced with Orbital Order (2012)
  • 著者名/発表者名: Naoki ogawa, Yasushi Ogimoto, Yoshiaki Ida, Yusuke Nomura, Ryotaro Arita, Kenjiro Miyano
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 108 号: 15
  • DOI: 10.1103/physrevlett.108.157603
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab initioderivation of electronic low-energy models for C_<60>and aromatic compounds (2012)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura, Kazuia NaKamura, Ryotaro Arita
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 85 号: 15
  • DOI: 10.1103/physrevb.85.155452
  • 査読あり
• [雑誌論文] Conductivity and incommensurate antiferromagnetism of Fe_<1.02>Se_<0.10>Te_<0.90> under pressure (2012)
  • 著者名/発表者名: N. Katayama, K. Matsubayashi, Y. Nomura, S. Ji, J. Leao, M. A. Green, T. J. Sato, Y. Uwatoko, M. Fujita, K. Yamada, R. Arita、and S. -H. Lee
  • 雑誌名: Europhysics Letters 巻: 98 号: 3 ページ: 37002-37002
  • DOI: 10.1209/0295-5075/98/37002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effective on-site interaction for dynamical mean-field theory (2012)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura, Merzuk Kaltak, Kazuma Nakamura, Ciro Taranto, Shiro Sakai, Alessandro Toschi, Ryotaro Arita, Karsten Held, Genre Kresse, Masatoshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 86 号: 8 ページ: 85117-85117
  • DOI: 10.1103/physrevb.86.085117
  • 査読あり
• [学会発表] フラーレン超伝導体における超伝導転移温度の非経験的計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐，酒井志朗，中村和磨，Massimo Capone，有田亮太郎
  • 学会等名: 日本物理学会 第70 回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学、東京都
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] Non-empirical calculation of superconducting transition temperature for C60 superconductors (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Nomura, S. Sakai, K. Nakamura, M. Capone and R. Arita
  • 学会等名: International Workshop on New Frontier of Numerical Methods for Many-Body Correlations ― Methodologies and Algorithms for Fermion Many-Body Problems
  • 発表場所: 東京大学、東京都
  • 年月日: 2015-02-18 – 2015-02-21
• [学会発表] Ab initio calculation of superconducting transition temperature for alkali-doped fullerides (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Nomura, S. Sakai, K. Nakamura, M. Capone and R. Arita
  • 学会等名: International Symposium on Computics: Quantum Simulation and Design ISC-QSD 2014
  • 発表場所: 東京大学、東京都
  • 年月日: 2014-12-01 – 2014-12-03
• [学会発表] フラーレン化合物における超伝導とモット絶縁体転移の第一原理的研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐
  • 学会等名: 基研研究会「多自由度電子状態と電子相関が生み出す新奇超伝導の物理」
  • 発表場所: 京都大学基礎物理学研究所、京都府
  • 年月日: 2014-10-21 – 2014-10-22
• [学会発表] フント結合が引き起こす空間相関効果：クラスター動的平均場理論による研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐，酒井志朗，有田亮太郎
  • 学会等名: 日本物理学会 2014 年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学、愛知県
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] Are electron-phonon interaction strong enough to enhance orbital fluctuations in iron-based superconductors? (2014)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura
  • 学会等名: The New Generation in Strongly Correlated Electron Systems 2014
  • 発表場所: Nice, France
  • 年月日: 2014-06-16 – 2014-06-20
• [学会発表] クラスター動的平均場理論による多軌道強相関電子系の研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐、酒井志朗、有田亮太郎
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 東海大学、神奈川県
  • 年月日: 2014-03-28
• [学会発表] フラーレン超伝導体の電子格子相互作用を含む低エネルギー模型導出 (2014)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐、中村和磨、有田亮太郎
  • 学会等名: 文部科学省科学研究費新学術領城「コンピューティクスによる物質デザイン : 複合相関と非平衡ダイナミクス」平成25年度研究会
  • 発表場所: 東京大学、東京都
  • 年月日: 2014-03-10
• [学会発表] 改良された連続時間量子モンテカルロ法による多軌道クラスター動的平均場理論 (2014)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐、酒井志朗、有田亮太郎
  • 学会等名: 文部科学省科学研究費新学術領域「コンピューティクスによる物質デザイン : 複合相関と非平衡ダイナミクス」平成25年度研究会
  • 発表場所: 東京大学、東京都
  • 年月日: 2014-03-10
• [学会発表] Effect of electron-phonon interactionson orbitalfluctuations in iron-based superconductors : a cDFPT study (2014)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura, Kazuma Nakamura, and Ryotaro Arita
  • 学会等名: APS March Meeting 2014
  • 発表場所: デンバー、アメリカ
  • 年月日: 2014-03-04
• [学会発表] Ab Initio Downfolding Method for Electron-Phonon Coupled Systems : Application to Iron-Based and C_<60> Superoonductors (2014)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura, Kazuma Nakamura, and Ryotaro Arita
  • 学会等名: FIRST International Symposium on "Topological Quantum Technology"
  • 発表場所: 東京大学、東京都
  • 年月日: 2014-01-29
• [学会発表] Do electron-phonon interactions enhance orbital fluctuations in iron-based superconductors? (2014)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura, Kazuma Nakamura, and Ryotaro Arita
  • 学会等名: RIKEN-APW joint workshop "Highlights in condensed matter physics"
  • 発表場所: 理化学研究所、埼玉県
  • 年月日: 2014-01-24
• [学会発表] 鉄系超伝導体における電子格子相互作用の軌道揺らぎへの影響 (2013)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐、中村和磨、有田亮太郎
  • 学会等名: 日本物理学会 2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学、徳島県
  • 年月日: 2013-09-25
• [学会発表] Electron-phonon interactions and orbital fluctuations in iron-based superconductors (2013)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura, Kazuma Nakamura, and Ryotaro Arita
  • 学会等名: The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems
  • 発表場所: 伊藤国際学術研究センター、東京都
  • 年月日: 2013-08-08
• [学会発表] 鉄系超伝導体における電子格子相互作用の軌道揺らぎへの影響 (2013)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐、中村和磨、有田亮太郎
  • 学会等名: 文部科学省科学研究費新学術領域研究「コンピューティクスによる物質デザイン : 複合相関と非平衡ダイナミクス」平成25年度第1回研究会
  • 発表場所: 東京大学、東京都
  • 年月日: 2013-07-09
• [学会発表] Ab initio downfolding for electron-phonon coupled systems : Applicationtoiron-based superconductors (2013)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura, Kazuma Nakamura, and Ryotaro Arita
  • 学会等名: Emergent Quantum Phases in Condensed Matter-from topological to first principles approaches
  • 発表場所: 物性研、千葉県
  • 年月日: 2013-06-13
• [学会発表] 電子格子相互作用項を含む低エネルギー模型の第一原理導出 (2013)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐、 中村和磨、 有田亮太郎
  • 学会等名: 日本物理学会 第68回年次大会
  • 発表場所: 広島大学、 広島県
  • 年月日: 2013-03-26
• [学会発表] Electron correlations in C_<60> and aromatic superconductors (2013)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura, Kazuma Nakamura, Ryotaro Arita
  • 学会等名: APS March Meeting 2013
  • 発表場所: ボルティモア、 アメリカ
  • 年月日: 2013-03-20
• [学会発表] Effective Onsite Interaction for Dynamical Mean-Field Theory (2012)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura, Merzuk Kaltak, Kazuma Nakamura, Ciro Taranto, Shiro Sakai, Alessandro Toschi, Ryotaro Arita, Karsten Held, Georg Kresse, Masatoshi Imada
  • 学会等名: International Workshop on Dynamical Mean-Field Approach
  • 発表場所: ドレスデン、 ドイツ
  • 年月日: 2012-09-26
• [学会発表] 動的平均場理論に対する有効相互作用の第一原理的評価 (2012)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐, Merzuk Kaltak, 中村和磨, Ciro Taranto, 酒井志朗, Alessandro Toschi, 有田亮太郎, Karsten Held, Georg Kresse, 今田正俊
  • 学会等名: 日本物理学会2012年秋季大会
  • 発表場所: 横浜国立大学、 神奈川県
  • 年月日: 2012-09-18
• [学会発表] Ab initio dertivation of electronic low-energy models for C_<60> and aromatic compound (2012)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura, Kazuia Nakamura, Ryotaro Arita
  • 学会等名: Innovations in Strongly Correlated Electronic Systems : School and Workshop
  • 発表場所: トリエステ、 イタリア
  • 年月日: 2012-08-08
• [学会発表] Effective Onsi te Interaction for Dynamical Mean-Field Theory (2012)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura, Merzuk Kaltak, Kazuma Nakamura, Ciro Taranto, Shiro Sakai, Alessandro Toschi, Eyotaro Arita, Karsten Held, Georg Kresse, Masatoshi Imada
  • 学会等名: What about U ? -Corrective approaches to DFT for strongly-correlated systems
  • 発表場所: ローザンヌ、 スイス
  • 年月日: 2012-06-18
• [備考]
  • URL: http://fpmrt.riken.jp/public_html/nomura/webpage_nomura.html
• [備考]
  • URL: http://arita-lab.t.u-tokyo.ac.jp/nomura/webpage_nomura.html