量子スピン液体と高次トポロジーの協奏による新奇相の開拓

• 研究課題/領域番号: 20K14371
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分13010:数理物理および物性基礎関連
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 溝口 知成 筑波大学, 数理物質系, 助教 (30821847)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2020年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
• キーワード: トポロジカル相 / フラストレートスピン系 / 高次トポロジカル絶縁体 / 平方根トポロジカル絶縁体 / 高次トポロジカル相 / 多体効果 / 量子スピン液体 / フラストレーション

研究開始時の研究の概要

トポロジカル相は, バルクのトポロジカルな性質が境界状態に反映される物質相であり, 量子計算への利用可能性の観点から, 応用上も注目を集めている. 近年, 結晶の対称性や多体効果など様々な要素を取り入れることにより, 多様なトポロジカル相の探索が急速に進んでいる. これを踏まえ本研究では, 高次トポロジカル相, すなわちバルクより2次元以上次元の低い境界状態をもつトポロジカル相が, 量子多体系におけるトポロジカル相の典型例である量子スピン液体, 特にその分数化した励起において発現するような新奇な相の探索, およびその実験的検出方法の提案を行う.

研究成果の概要

本研究課題では高次トポロジカル相や平方根トポロジカル相といった新奇概念同士の組み合わせや, 量子多体系やフラストレートスピン系などの様々な舞台と組み合わせによって新奇量子相の発見を目指した. 主要な成果として以下を得た. (i) 平方根高次トポロジカル絶縁体・平方根トポロジカル半金属の発見. (ii) クエンチダイナミクスによる高次トポロジカル相の特徴付け. (iii) 1次と2次のトポロジカル相が競合した模型の相図の解析. (iv) 修飾ハニカム格子模型における厳密可解なキタエフ型スピン模型とその拡張. (v) 分数チャーン絶縁体における2粒子トポロジーの意義の解明.

研究成果の学術的意義や社会的意義

近年のトポロジカル物質相の研究の進展は著しい. その中で本課題において平方根高次トポロジカル絶縁体に代表される新奇な相や概念を発見したことは学術的に意義深く, 実際に本研究による理論的提案の後に複数の実験でその存在が確かめられるという波及効果があった. またトポロジカル物質相の諸概念が乱れに対し頑強な境界状態の発現機構として様々な物理系での応用可能性が指摘されており, 本研究もトポロジカル物質相の基礎研究の一環として将来的な応用可能性の探索に資するものと期待される.

研究成果

• [国際共同研究] University of Melbourne(オーストラリア)
• [雑誌論文] Relationship between two-particle topology and fractional Chern insulator (2023)
  • 著者名/発表者名: Okuma Nobuyuki、Mizoguchi Tomonari
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 5 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.5.013112
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Higher-Order Topological Insulator on a Martini Lattice and Its Square Root Descendant (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Daiki、Mizoguchi Tomonari、Hatsugai Yasuhiro
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 号: 3
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.034705
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular-orbital representation with random U(1) variables (2023)
  • 著者名/発表者名: Mizoguchi Tomonari、Hatsugai Yasuhiro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 号: 9
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.094201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unconventional gapless semiconductor in an extended martini lattice in covalent honeycomb materials (2023)
  • 著者名/発表者名: Mizoguchi Tomonari、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Hatsugai Yasuhiro、Okada Susumu
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 号: 12
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.l121301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exactly Solvable Kitaev-Type Compass Model on a Decorated Honeycomb Lattice and Its Extension (2022)
  • 著者名/発表者名: Mizoguchi Tomonari
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 号: 12
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.124709
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thermoelectric transport of type-I, II, and III massless Dirac fermions in a two-dimensional lattice model (2022)
  • 著者名/発表者名: Mizoguchi Tomonari、Matsuura Hiroyasu、Ogata Masao
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 20 ページ: 2052031-11
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.205203
  • 査読あり
• [雑誌論文] Competition of first-order and second-order topology on the honeycomb lattice (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Bunney, T. Mizoguchi, Y. Hatsugai and S. Rachel
  • 雑誌名: Physical Review B_ 巻: 105 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.045113
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Non-Hermitian topology in rock-paper-scissors games (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsuneya Yoshida Tomonari Mizoguchi and Yasuhiro Hatsugai
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 5601-7
  • DOI: 10.1038/s41598-021-04178-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Construction of interacting flat-band models by molecular-orbital representation: Correlation functions, energy gap, and entanglement (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Mizoguchi, Y. Kuno and Y. Hatsugai
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics_ 巻: 2022 号: 2
  • DOI: 10.1093/ptep/ptac015
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Machine Learning Study on the Flat-Band States Constructed by Molecular-Orbital Representation with Randomness (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Kuroda, T. Mizoguchi, H. Araki and Y. Hatsugai
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 号: 4
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.044703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bulk-edge correspondence in two-dimensional topological semimetals: A transfer matrix study of antichiral edge modes (2021)
  • 著者名/発表者名: Mizoguchi Tomonari、Koma Tohru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 19
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.195310
  • 査読あり
• [雑誌論文] Square-root topological phase with time-reversal and particle-hole symmetry (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsuneya Yoshida Tomonari Mizoguchi Yoshihito Kuno and Yasuhiro Hatsugai
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 103 号: 23 ページ: 2351301-9
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.235130
  • 査読あり
• [雑誌論文] Flat-band solutions in D-dimensional decorated diamond and pyrochlore lattices: Reduction to molecular problem (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomonari Mizoguchi, Hosho Katsura, Isao Maruyama, and Yasuhiro Hatsugai
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 号: 3
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.035155
  • 査読あり
• [雑誌論文] Flat band, spin-1 Dirac cone, and Hofstadter diagram in the fermionic square kagome model (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Mizoguchi, Y. Kuno and Y. Hatsugai
  • 雑誌名: Physical Review B_ 巻: 104 号: 3
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.035161
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chiral edge modes in evolutionary game theory: A kagome network of rock-paper-scissors cycles (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsuneya Yoshida Tomonari Mizoguchi and Yasuhiro Hatsugai
  • 雑誌名: Phys. Rev. E 巻: 104 号: 2 ページ: 0250031-9
  • DOI: 10.1103/physreve.104.025003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiple quantum scar states and emergent slow thermalization in a flat-band system (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Kuno, T. Mizoguchi and Y. Hatsugai
  • 雑誌名: Physical Review B_ 巻: 104 号: 8
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.085130
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detecting Bulk Topology of Quadrupolar Phase from Quench Dynamics (2021)
  • 著者名/発表者名: Mizoguchi Tomonari、Kuno Yoshihito、Hatsugai Yasuhiro
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 126 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.016802
  • 査読あり
• [雑誌論文] Square-root topological semimetals (2021)
  • 著者名/発表者名: Mizoguchi Tomonari、Yoshida Tsuneya、Hatsugai Yasuhiro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 号: 4 ページ: 0451361-8
  • DOI: 10.1103/physrevb.103.045136
  • 査読あり
• [雑誌論文] Square-root higher-order topological insulator on a decorated honeycomb lattice (2020)
  • 著者名/発表者名: Mizoguchi Tomonari、Kuno Yoshihito、Hatsugai Yasuhiro
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 102 号: 3
  • DOI: 10.1103/physreva.102.033527
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interaction-induced doublons and embedded topological subspace in a complete flat-band system (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuno Yoshihito、Mizoguchi Tomonari、Hatsugai Yasuhiro
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 102 号: 6
  • DOI: 10.1103/physreva.102.063325
  • 査読あり
• [雑誌論文] Flat band quantum scar (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuno Yoshihito、Mizoguchi Tomonari、Hatsugai Yasuhiro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 102 号: 24
  • DOI: 10.1103/physrevb.102.241115
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological Modes Protected by Chiral and Two-Fold Rotational Symmetry in a Spring-Mass Model with a Lieb Lattice Structure (2020)
  • 著者名/発表者名: Wakao Hiromasa、Yoshida Tsuneya、Mizoguchi Tomonari、Hatsugai Yasuhiro
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 号: 8 ページ: 0837021-4
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.083702
  • NAID: 210000158699
  • 査読あり
• [雑誌論文] Type-III Dirac Cones from Degenerate Directionally Flat Bands: Viewpoint from Molecular-Orbital Representation (2020)
  • 著者名/発表者名: Mizoguchi Tomonari、Hatsugai Yasuhiro
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 号: 10 ページ: 103704-103704
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.103704
  • NAID: 40022375211
  • 査読あり
• [学会発表] 修飾ハニカム格子上の可解なキタエフ型スピン模型 (2023)
  • 著者名/発表者名: 溝口知成
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] Square-root topological phases in two and three dimensions (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomonari Mizoguchi
  • 学会等名: BE/BC2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高次トポロジカル相におけるクエンチダイナミクス (2021)
  • 著者名/発表者名: 溝口知成、久野義人、初貝安弘
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] Square-root topological phases on decorated honeycomb lattice (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomonari Mizoguchi, Yoshihito Kuno, Tsuneya Yoshida, Yasuhiro Hatsugai
  • 学会等名: EP2DS-24/MSS-20
  • 国際学会
• [学会発表] 高次トポロジカル絶縁体の物理 (2021)
  • 著者名/発表者名: 溝口知成
  • 学会等名: 新学術領域「次世代物質探索のための離散幾何学」基礎講義
  • 招待講演
• [学会発表] トポロジカル相における量子化ベリー位相 (2021)
  • 著者名/発表者名: 溝口知成
  • 学会等名: CREST 「物質のトポロジカル相の理論的探究」チュートリアルワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 第III種ディラック粒子を有する格子模型の構成法 (2021)
  • 著者名/発表者名: 溝口知成、初貝安弘
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Square-root higher-order topological insulators and topological semimetals (2021)
  • 著者名/発表者名: 溝口知成、久野義人、吉田恒也、初貝安弘
  • 学会等名: APS March Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Bulk-edge correspondence in semi-metals: Transfer matrix study of anti-chiral edge modes (2021)
  • 著者名/発表者名: 溝口知成
  • 学会等名: Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases: From solid state physics to transdisciplinary concepts" 8th Informal Meeting
  • 招待講演
• [学会発表] 平方根トポロジカル絶縁体の高次トポロジカル絶縁体への拡張 (2020)
  • 著者名/発表者名: 溝口知成、久野義人、初貝安弘
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会