トポロジカル電子状態の理論的研究

• 研究課題/領域番号: 13J09907
• 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: 磯部 大樹 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 2,700千円 (直接経費: 2,700千円); 2015年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 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)
• キーワード: ディラック電子系 / トポロジカル絶縁体 / 電子間相互作用 / 繰り込み群 / ディラック電子 / スピン軌道相互作用 / 結晶性トポロジカル絶縁体 / 電子相関

研究実績の概要

当該年度は３年間の課題の最終年度に当たり、２年間の研究を踏まえた発展的な内容として（１）異方的なバントタッチングのある２次元系、および（２）傾斜したディラックコーンを持つ２次元電子系における長距離クーロン相互作用の解析を行った。対象の系はともにエネルギーバンドの分散関係と、波動関数の幾何学的（トポロジカル）な性質が関連している。結晶の構造に由来する異方性により生じる複雑さを取り込んだ解析を行うことにより、等方的な場合と比較しより豊富で新奇な物性を見出した。
（１）異方的なバンドタッチングのある２次元系における長距離クーロン相互作用の解析。トポロジカル相の相転移の量子臨界点や、黒リンの薄膜、チタン酸化物・バナジウム酸化物の超格子などにおける２次元系では、一方向は線形でもう一方は二次のエネルギー分散関係を持つような異方的なバンドタッチングを持つ電子系が実現する。バンドタッチングの点では、状態密度が消失するため電子間クーロン相互作用が遮蔽されず長距離力となる。この長距離クーロン相互作用の効果を繰り込み群の手法により解析した結果、電子の速度や準粒子の繰り込み因子などのスケール依存性に３つのクロスオーバーがあり、非フェルミ流体としての性質を持つことを見出した。
（２）傾斜したディラックコーンを持つ２次元電子系における電子間相互作用の解析。以前、擬２次元有機導体α-(BEDT-TTF)2I3を対象として長距離クーロン相互作用の効果を調べた際は、非相対論的な範囲で解析を行ったが、今回は相対論的効果までを取り込んだ解析を行い、低エネルギー極限において、無相関時の異方性に関わらず等方的なディラックコーンが現れることを発見した。この性質はディラックコーンの傾斜が大きく、電子・ホールポケットが生じている場合でも成立する。この結果は、低エネルギーにおけるローレンツ不変性の回復の普遍性を示すものである。

現在までの達成度 (段落)

27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

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Massachusetts Institute of Technology/University of Minnesota(米国)
• [国際共同研究] Seoul National University/Institute for Basic Science(韓国)
• [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology(ドイツ)
• [雑誌論文] Emergent non-Fermi Liquid at the Quantum Critical Point of a Topological Phase Transition in Two Dimensions (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Isobe, Bohm-Jung Yang, Andrey Chubukov, Joerg Schmalian, and Naoto Nagaosa
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 116 号: 7
  • DOI: 10.1103/physrevlett.116.076803
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Coulomb Interaction Effect in Weyl Fermions with Tilted Energy Dispersion in Two Dimensions (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Isobe and Naoto Nagaosa
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 116 号: 11
  • DOI: 10.1103/physrevlett.116.116803
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Theory of interacting topological crystalline insulators (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Isobe and Liang Fu
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 92 号: 8
  • DOI: 10.1103/physrevb.92.081304
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhancement of spin-orbit interaction by competition between Hund's coupling and electron hopping (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Isobe and Naoto Nagaosa
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 592 ページ: 012058-012058
  • DOI: 10.1088/1742-6596/592/1/012058
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantum criticality of topological phase transitions in three-dimensional interacting electronic systems (2014)
  • 著者名/発表者名: Bohm-Jung Yang, Eun-Gook Moon, Hiroki Isobe, and Naoto Nagaosa
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 10 号: 10 ページ: 774-778
  • DOI: 10.1038/nphys3060
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Generalized Hund’s rule for two-atom systems (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Isobe and Naoto Nagaosa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 90 号: 11
  • DOI: 10.1103/physrevb.90.115122
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Renormalization group study of electromagnetic interaction in Multi-Dirac-node systems (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Isobe and Naoto Nagaosa
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 87 号: 20
  • DOI: 10.1103/physrevb.87.205138
  • 査読あり
• [学会発表] Coulomb interaction effect in tilted Weyl fermion in two dimensions (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Isobe
  • 学会等名: APS March Meeting
  • 発表場所: Baltimore, United States of America
  • 年月日: 2016-03-17
  • 国際学会
• [学会発表] トポロジカル結晶絶縁体での電子相関によるSPT相 (2015)
  • 著者名/発表者名: 磯部大樹, Liang Fu
  • 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: 2015-03-22
• [学会発表] Generalized Hund's rule and enhancement of spin-orbit interaction for two-atom systems (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Isobe and Naoto Nagaosa
  • 学会等名: 1st International Workshop on Topological Electronics (Topotronics 2015)
  • 発表場所: 沖縄科学技術大学院大学、沖縄県
  • 年月日: 2015-03-09
• [学会発表] Theory of interacting topological crystalline insulators (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Isobe and Liang Fu
  • 学会等名: APS March Meeting 2015
  • 発表場所: San Antonio, United States of America
  • 年月日: 2015-03-02
• [学会発表] Possible realization of interacting symmetry-protected topological phases in topological crystalline insulators (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Isobe and Liang Fu
  • 学会等名: International conference on topological quantum phenomena
  • 発表場所: 京都大学、京都府
  • 年月日: 2014-12-17
• [学会発表] Enhancement of spin-orbit interaction by competition between Hund's coupling and electron hopping (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Isobe and Naoto Nagaosa
  • 学会等名: The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems
  • 発表場所: Grenoble, France
  • 年月日: 2014-07-10
• [学会発表] Enhancement of spin-orbit interaction by electron correlation (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Isobe and Naoto Nagaosa
  • 学会等名: American Physical Society
  • 発表場所: Colorado Convention Center (アメリカ・コロラド州)
  • 年月日: 2014-03-06
• [学会発表] Enhancement of spin-orbit interaction by electron correlation (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Isobe and Naoto Nagaosa
  • 学会等名: FIRST International Symposium
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス(東京都文京区)
  • 年月日: 2014-01-29
• [学会発表] Enhancement of spin-orbit interaction by electron correlation (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Isobe and Naoto Nagaosa
  • 学会等名: RIKEN-APW joint workshop
  • 発表場所: 理化学研究所和光キャンパス(埼玉県和光市)
  • 年月日: 2014-01-24
• [備考] 東京大学 大学院工学系研究科 物理工学専攻 永長研究室
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/nagaosa-lab/
• [備考] 永長研究室ホームページ
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/nagaosa-lab/
• [備考] 永長研究室ホームページ
  • URL: http://webpark1476.sakura.ne.jp/