モアレ・メタマテリアルの物性理論

• 研究課題/領域番号: 20H01840
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 越野 幹人 大阪大学, 大学院理学研究科, 教授 (60361797)
• 研究分担者: 川上 拓人 大阪大学, 大学院理学研究科, 助教 (00750895)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 13,260千円 (直接経費: 10,200千円、間接経費: 3,060千円); 2023年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2022年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2020年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
• キーワード: ２次元物質 / グラフェン / モアレ物質 / ファンデルワールスヘテロ接合 / 二次元物質 / モアレ超格子 / トポロジカル物性 / 遷移金属カルコゲナイド / ツイスト二層グラフェン / 黒リン / 2次元物質

研究開始時の研究の概要

二次元物質を重ね合わせて実現される複合二次元物質を理論的に記述し、新規物性機能を開拓、予言することを目的とする。近年グラフェンなどの二次元物質を重ね合わせることにより、単体とは全く異なる性質が出現することが認識され、複合二次元物質に注目が集まっている。複合二次元物質の最大の特徴は、層と層が織りなすモアレ干渉構造によって物理的性質が本質的に変化し、物質全体がナノスケールの周期を持つ有効的な巨大な原子結晶のように振る舞う点である。これら物質群を「モアレ・メタマテリアル」として捉え直し、多様な物質の組合せに対して、電子やフォノンの振舞いを系統的に記述することで、新しい物質科学の基礎を確立する。

研究成果の概要

二次元物質の組み合わせによって作られる様々なモアレ物質を舞台として、電子状態やそのトポロジカルな性質、構造緩和、フォノン物性に関する理論研究を行った。特に、準周期的構造のために取り扱いが困難であったモアレ３層系に関して、構造緩和と電子構造を記述する理論を確立し、様々なモアレ多層系を記述する道を開いた。また準周期的モアレ系と４次元量子ホール系との等価性を発見し、そのエネルギースペクトルに内在するトポロジカル数を同定した。さらにhBN, 黒リン、トポロジカル絶縁体、３次元グラファイトを含む様々なモアレ系に対象を広げ、モアレ模様が生み出す非自明な電子構造やフォノン物性、電気伝導特性を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

原子層が重なってできるモアレ物質が非常な注目を集めるが、何千何万という原子を含むモアレ周期がもたらす電子物性を理論的な記述することは困難である。特に複数のモアレ模様が干渉する多層系では、周期系を前提とする通常の固体物性理論が適用できないため、物性研究の進展の大きな妨げになっていた。この研究で行われた一連の仕事はこの部分に光を当てるものであり、従来解析が殆ど行われてこなかったモアレ多層系や３次元積層モアレ系の基礎的な性質を初めて明らかにした。この結果は無数のバリエーションを持つモアレ系の性質を理解するための基本的な枠組みを与え、未来の物性物理の基礎になることが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Manchester University(英国)
• [国際共同研究] Korea Institute of Advanced Study(韓国)
• [国際共同研究] NYU Shanghai(中国)
• [国際共同研究] Max Planck Institute(ドイツ)
• [国際共同研究] Nanjing university(中国)
• [国際共同研究] Korea Institute of Advanced Study(韓国)
• [国際共同研究] Weitzmann Instutute(イスラエル)
• [国際共同研究] MIT(米国)
• [雑誌論文] Chemically Tailored Semiconductor Moire Superlattices of Janus Heterobilayers (2024)
  • 著者名/発表者名: W. Zhang, Z. Liu, H. Nakajo, S. Aoki, H. Wang, Y. Wang, Y. Gao, M. Maruyama, T. Kawakami, Y. Makino, M. Kaneda, T. Chen, K. Aso, T. Ogawa, T. Endo, Y. Nakanishi, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Oshima, Y. Yamada-Takamura, M. Koshino, S. Okada, K. Matsuda, T. Kato, Y. Miyata
  • 雑誌名: small structures 巻: 5 号: 5 ページ: 2300514-2300514
  • DOI: 10.1002/sstr.202300514
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nonlinear Landau Fan Diagram for Graphene Electrons Exposed to a Moire Potential (2024)
  • 著者名/発表者名: Moon Pilkyung、Kim Youngwook、Koshino Mikito、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Smet Jurgen H.
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 24 号: 11 ページ: 3339-3346
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c04444
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Topological domain walls in graphene nanoribbons with carrier doping (2023)
  • 著者名/発表者名: Kawakami Takuto、Tamaki Gen、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 号: 4 ページ: 045401-045401
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.045401
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanical properties of 2D metal organic and covalent organic frameworks with non trivial topological band dispersion (2023)
  • 著者名/発表者名: Kapri Priyadarshini、Kawakami Takuto、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Computational Materials Science 巻: 228 ページ: 112282-112282
  • DOI: 10.1016/j.commatsci.2023.112282
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic monopole becomes dyon in topological insulators (2023)
  • 著者名/発表者名: Aoki Shoto、Fukaya Hidenori、Kan Naoto、Koshino Mikito、Matsuki Yoshiyuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 号: 15 ページ: 155104-155104
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.155104
  • 査読あり
• [雑誌論文] Perpendicular electronic transport and moire-induced resonance in twisted interfaces of three-dimensional graphite (2023)
  • 著者名/発表者名: Tani Tenta、Kawakami Takuto、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 号: 16 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.165422
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiscale Lattice Relaxation in General Twisted Trilayer Graphenes (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakatsuji Naoto、Kawakami Takuto、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 13 号: 4 ページ: 41007-41007
  • DOI: 10.1103/physrevx.13.041007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Moir'e phonons in graphene/hexagonal boron nitride moir'e superlattice (2023)
  • 著者名/発表者名: Lukas.P.A. Krisna, Mikito Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 107 号: 11 ページ: 115301-115301
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.115301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Perfect one-dimensional interface states in a twisted stack of three-dimensional topological insulators (2022)
  • 著者名/発表者名: Manato Fujimoto, Takuto Kawakami, Mikito Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. Research 巻: 4 号: 4 ページ: 43209-43209
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.043209
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spontaneous spin-valley polarization in NbSe2 at a van der Waals interface (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka Hideki、Habe Tetsuro、Iwasa Yoshihiro、Koshino Mikito、Nakano Masaki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 5129-5129
  • DOI: 10.1038/s41467-022-32810-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Science of 2.5 dimensional materials: paradigm shift of materials science toward future social innovation (2022)
  • 著者名/発表者名: Ago Hiroki、Okada Susumu、Miyata Yasumitsu、Matsuda Kazunari、Koshino Mikito、Ueno Kosei、Nagashio Kosuke
  • 雑誌名: Science and Technology of Advanced Materials 巻: - 号: 1 ページ: 275-299
  • DOI: 10.1080/14686996.2022.2062576
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Moir’e disorder effect in twisted bilayer graphene (2022)
  • 著者名/発表者名: Naoto Nakatsuji, Mikito Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 105 号: 24 ページ: 245408-245408
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.245408
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological gap labeling with third Chern numbers in three-dimensional quasicrystals (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Kazuki、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 11 ページ: 115410-115410
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.115410
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological edge and corner states and fractional corner charges in blue phosphorene (2022)
  • 著者名/発表者名: Tani Tenta、Hitomi Masaru、Kawakami Takuto、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 7 ページ: 075407-075407
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.075407
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological invariants in two-dimensional quasicrystals (2022)
  • 著者名/発表者名: Koshino Mikito、Oka Hiroki
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 4 号: 1 ページ: 013028-013028
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.4.013028
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multiorbital edge and corner states in black phosphorene (2021)
  • 著者名/発表者名: Hitomi Masaru、Kawakami Takuto、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 12 ページ: 125302-125302
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.125302
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interlayer Interactions in 1D Van der Waals Moire Superlattices (2021)
  • 著者名/発表者名: Sihan Zhao, Ryo Kitaura, Pilkyung Moon, Mikito Koshino, Feng Wang
  • 雑誌名: Adv. Sci. 巻: 9 号: 2 ページ: 2103460-2103460
  • DOI: 10.1002/advs.202103460
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fractal energy gaps and topological invariants in hBN/graphene/hBN double moir? systems (2021)
  • 著者名/発表者名: Oka Hiroki、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 3 ページ: 035306-035306
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.035306
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fractal defect states in the Hofstadter butterfly (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsuki Yoshiyuki、Ikeda Kazuki、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 3 ページ: 035305-035305
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.035305
  • 査読あり
• [雑誌論文] Moire edge states in twisted bilayer graphene and their topological relation to quantum pumping (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto Manato、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 15 ページ: 155410-155410
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.155410
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of orbital angular moment at van Hove singularity in graphene/h-BN moire superlattice (2020)
  • 著者名/発表者名: Moriya Rai、Kinoshita Kei、Crosse J. A.、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Masubuchi Satoru、Moon Pilkyung、Koshino Mikito、Machida Tomoki
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19043-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electronic properties of a graphyne-N monolayer and its multilayer: Even-odd effect and topological nodal line semimetalic phases (2020)
  • 著者名/発表者名: Kawakami Takuto、Nomura Takafumi、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 11 ページ: 1154211-15
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.115421
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hofstadter butterfly and the quantum Hall effect in twisted double bilayer graphene (2020)
  • 著者名/発表者名: Crosse J. A.、Nakatsuji Naoto、Koshino Mikito、Moon Pilkyung
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 3 ページ: 035421-035421
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.035421
• [雑誌論文] Mapping the twist-angle disorder and Landau levels in magic-angle graphene (2020)
  • 著者名/発表者名: Uri A.、Grover S.、Cao Y.、Crosse J. A.、Bagani K.、Rodan-Legrain D.、Myasoedov Y.、Watanabe K.、Taniguchi T.、Moon P.、Koshino M.、Jarillo-Herrero P.、Zeldov E.
  • 雑誌名: Nature 巻: 581 号: 7806 ページ: 47-52
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2255-3
• [雑誌論文] Effective continuum model for relaxed twisted bilayer graphene and moire electron-phonon interaction (2020)
  • 著者名/発表者名: Koshino Mikito、Nam Nguyen N. T.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 19 ページ: 195425-195425
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.195425
• [雑誌論文] Topological junction states and their crystalline network in systems with chiral symmetry: Application to graphene nanoribbons (2020)
  • 著者名/発表者名: Tamaki Gen、Kawakami Takuto、Koshino Mikito
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 号: 20 ページ: 2053111-11
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.205311
  • 査読あり
• [学会発表] Topological moire trilayers (2024)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: Workshop Materials for Quantum Electronics (Mat4QE)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 二次元材料のモアレ物性科学の基礎 (2024)
  • 著者名/発表者名: 越野幹人
  • 学会等名: 応用物理学会2024春季講演会 チュートリアル講演
  • 招待講演
• [学会発表] "モアレ準結晶の電子状態： トポロジカル不変量と４次元ホール効果" (2024)
  • 著者名/発表者名: 越野幹人
  • 学会等名: 第11回 統計物理学懇談会
  • 招待講演
• [学会発表] Moire phonons in twisted materials (2023)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: 6th EU-Japan Workshop on Graphene and Related 2D Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological gap labeling in moire quasicrystals (2023)
  • 著者名/発表者名: 越野幹人
  • 学会等名: 東大物性研究所 理論セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] モアレ物質における格子緩和とモアレフォノン (2023)
  • 著者名/発表者名: 越野幹人
  • 学会等名: 名古屋大学研究会「強相関電子系のフロンティア」
  • 招待講演
• [学会発表] Exploring Moire 2D Materials and Topological Quasicrystals (2023)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: ICTP summer school called "New Trends in Modern Quantum Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] モアレ二次元物質の物性理論 (2023)
  • 著者名/発表者名: 越野幹人
  • 学会等名: 日本物理学会年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Topological moire trilayers (2023)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: BIRS Workshop “The Mathematics and Physics of Moire Superlattices"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological moire trilayers (2023)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: Asia-Pacific Conference on Condensed Matter Physics (AC2MP) 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] グラフェンの物理学: 厚さ100万分の1ｍｍの物質 (2023)
  • 著者名/発表者名: 越野幹人
  • 学会等名: グラフェンの物理学: 厚さ100万分の1ｍｍの物質
  • 招待講演
• [学会発表] トポロジカル物質の不思議 (2023)
  • 著者名/発表者名: 越野幹人
  • 学会等名: 第37回湯川記念講演会「現代物理学の最前線」
  • 招待講演
• [学会発表] Topological moire trilayers (2023)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: Recent Progress in Graphene Research and 2D materials (RPGR2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Moir'e quasicrystals in twisted 2D systems (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino
  • 学会等名: Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems (WINDS 2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physics of Graphene and moire materials (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino
  • 学会等名: Novel Quantum States in Condensed Matter (NQS2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological quasicrystals in moir'e materials (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino
  • 学会等名: Pan-Pacific Workshop on Topology and Correlation in Exotic Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological quasicrystals in twisted 2D systems (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino
  • 学会等名: Novel Electronic Properties of two-dimensional materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quasicrystals in twisted 2D systems (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino
  • 学会等名: 10th A3 Foresight Project Workshop Joint Research on Novel Physical Properties and Functionalities of Emerging 2D Materials and van der Waals Heterostructures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological quasicrystals in twisted 2D systems (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino
  • 学会等名: NT22: 22nd International Conference on the Science and Applications of Nanotubes and Low-Dimensional Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physics of twisted 2D materials (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino
  • 学会等名: Brookhaven National Laboratory NSLS-II & CFN Joint Meeting 2D materials and beyond
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quasicrystals in twisted 2D systems (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino
  • 学会等名: Photonics and Electromagnetics Research Symposium (PIERS) 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Moir'e quasicrystals (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Koshino
  • 学会等名: Pioneer Symposium in the Korean Physical Society Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological invariants in quasicrystals (2022)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: Online moire IOP-EPS minicolloquium,
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physics of moire materials (2021)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: CEVIS -Correlated Electrons Virtual International Seminars
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quasicrystals in twisted 2D systems (2021)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: CCES Regular seminar, Seoul National University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physics of twisted 2D materials (2021)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: International Conference on Discrete Geometric Analysis for Materials Design
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physics of twisted 2D materials (2021)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: 11th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quan- tum Information
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetic structures and topological gaps in polyacene (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuto Kawakami
  • 学会等名: The 12th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Physics of two-dimensional materials (2021)
  • 著者名/発表者名: 越野 幹人
  • 学会等名: 第 25 回久保記念シンポジウム「統計力学と物性科学の発展」
  • 招待講演
• [学会発表] 超精密原子層物質 ナノスケールからのトポロジカル物質創成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 越野 幹人
  • 学会等名: CREST・さきがけ「トポロジー」領域 公開シンポジウム「トポロジカル科学の現在と 未来
  • 招待講演
• [学会発表] モアレ二次元物質の物理 (2021)
  • 著者名/発表者名: 越野 幹人
  • 学会等名: 2021 年第 68 回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] モアレ物質の新奇な物性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 越野 幹人
  • 学会等名: 日本物理学会 第 76 回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Electron and phonon properties of twisted bilayer graphene (2020)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: Graphene 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physics of twisted 2D systems (2020)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: International Meeting on Thin Film Interfaces and Composite Crystals
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] モアレ2次元物質における電子およびフォノンの理論 (2020)
  • 著者名/発表者名: 越野 幹人
  • 学会等名: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS 合同研究会
  • 招待講演
• [学会発表] ツイスト 2 層グラフェンの特異な物性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 越野 幹人
  • 学会等名: 京都大学基礎物理学研究所研究会
  • 招待講演
• [図書] グラフェンの物理学 (2023)
  • 著者名/発表者名: 越野 幹人
  • 総ページ数: 248
  • 出版者: 内田老鶴圃
  • ISBN: 9784753623211