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多自由度系における新奇トポロジカル相の理論的探索

研究課題

研究課題/領域番号 20K14415
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
研究機関大阪大学

研究代表者

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 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2022年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
キーワードグラフェンナノリボン / ドメインウォール / トポロジカル束縛状態 / 磁壁 / トポロジカル物質 / グラファイン / 単層黒リン / トポロジカル絶縁体 / トポロジカル超伝導
研究開始時の研究の概要

スピンや軌道などの大きな内部自由度の協奏によって現れる, 新奇な物理現象とそのトポロジカルな起源を探索する. また, その検出理論の研究を推進する. 特に, 大きな有効スピンを持つ逆ペロブスカイト物質や冷却原子気体, 多軌道モデルで記述されるツイスト2層グラフェン, 多成分の秩序変数をもつ超流動ヘリウム3などの多様な物質群を, 多自由度の観点から理論的に研究する.

研究実績の概要

令和4年度は,前年度に引き続き,グラフェンナノリボンのトポロジカル磁気ドメインウォールに関する理論研究を推進した。前年度までの研究により,最も幅の細いリボンであるポリアセンにおいて,平均場理論を用いると,電荷中性の場合にはリボン対岸で反対向きのスピン偏極を持つ反強磁性秩序が現れ,電荷ドープすると反対向きのスピンを有する反強磁性状態が繋がったドメインウォールが形成されることが判明した。しかしポリアセンは,原子スケールの極めて細い物質であるため,量子揺らぎの効果が大きく,実際の物質において反強磁性のような長距離秩序が本当に生じるかは平均場理論の範疇では予想できないという問題点があった。一方,グラフェンナノリボンでは,リボンの幅が広くなるにつれ電荷中性の反強磁性型長距離秩序が回復することが知られていることから,一般の幅のリボンで電荷ドープを行った場合,どのような秩序構造が現れるかということに着目した。
本研究では,ハートリー-フォック型の平均場理論を用い,さまざまなリボン幅やドープ量におけるグラフェンナノリボンの磁気構造と,その熱力学的安定性を網羅的に調べた。そして,ポリアセンのように細いリボンでは,上向きスピンと下向きスピンがスピン偏極のないドメインウォールを経て切り替わる,コリニア型のドメイン構造を示すのに対し,比較的太いリボンでは,スピンが連続的に回転することによって切り替わる,ノンコリニア型のドメインウォールを生じることを明らかにした。いずれの場合でもドメインウォールはトポロジカル束縛状態を生じ,そこにドープされた電荷を格納することで安定化することがわかった。また,ドープ量を変化させるとエネルギースペクトルにホフスタッターの蝶に類似するフラクタル構造が現れることが判明した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

グラフェンナノリボンのドメインウォールについて, ノンコリニア性を取り入れて解析することにより, スピンが連続的に回転し, 強磁性のドメインウォールを経て切り替わる, ポリアセンとは異なるタイプのドメインウォール構造に着目することができた。現在これらの成果をまとめた論文を投稿中である。

今後の研究の推進方策

ツイスト積層系における量子渦の解析およびトポロジカル超伝導の可能性について研究に着手する予定である。ツイスト積層グラフェンにおける超伝導が2018年に発見されて以来, ツイスト多層グラフェンやツイストhBN系などを含む, さまざまなツイスト系における超伝導が注目を集め, 新奇物性を示すことが期待されている。そしてこれらの超伝導は非従来型である可能性が高く, クーパー対の対称性について多様な理論提案がなされている。一方で, 磁場中における量子渦および束縛状態に関する研究は限られている。そこで本研究ではこれらの量子渦系の大規模数値解析を実施する。そして量子渦スペクトルの振る舞いの違いから, ペアリング対称性の検出を目指した理論の構築および,そのトポロジカル特性の理論提案を行う予定である。

報告書

(3件)
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (25件)

すべて 2023 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 11件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Perfect one-dimensional interface states in a twisted stack of three-dimensional topological insulators2022

    • 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

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Topological edge and corner states and fractional corner charges in blue phosphorene2022

    • 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

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multiorbital edge and corner states in black phosphorene2021

    • 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

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electronic properties of a graphyne-N monolayer and its multilayer: Even-odd effect and topological nodal line semimetalic phases2020

    • 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

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Topological junction states and their crystalline network in systems with chiral symmetry: Application to graphene nanoribbons2020

    • 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

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Topological domain walls in graphene nanoribbons with carrier doping2023

    • 著者名/発表者名
      Takuto Kawakami, Gen Tamaki, Mikito Koshino
    • 学会等名
      APS March Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effects of electron-electron interactions on nontrivial flat bands in graphene nanoribbon networks2023

    • 著者名/発表者名
      Gen Tamaki, Yuji Hashimoto, Takuto Kawakami, Yoshitada Morikawa Mikito Koshino
    • 学会等名
      APS March Meeting 2023
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topological domain walls in doped graphene nanoribbons2022

    • 著者名/発表者名
      Takuto Kawakami, Gen Tamaki, Mikito Koshino
    • 学会等名
      RPGR2022 -The 13th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Orbital ordering induced by nontrivial flat bands appearing in graphene nanoribbon networks2022

    • 著者名/発表者名
      Gen Tamaki, Yuji Hamamoto, Takuto Kawakami, Yoshitada Morikawa, Mikito Koshino
    • 学会等名
      RPGR2022 -The 13th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topological edge and corner states and fractional corner charges in blue phosphorene2022

    • 著者名/発表者名
      Tenta Tani, Masaru Hitomi, Takuto Kawakami, Mikito Koshino
    • 学会等名
      RPGR2022 -The 13th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Spin texture of majorana bound state in topological superconductors2022

    • 著者名/発表者名
      Takuto Kawakami, Xiao Hu
    • 学会等名
      Pacific Rim International Conference on Superconducting Materials : Fundamentals and Applications (PRISM2022)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 川上 拓人, 玉置 弦, 越野 幹人2022

    • 著者名/発表者名
      キャリアドープグラフェンナノリボンにおけるトポロジカル磁壁構造
    • 学会等名
      日本物理学会 2022 年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] ツイスト接合 3 次元トポロジカル絶縁体の接合面に現れる 1 次元電子状態2022

    • 著者名/発表者名
      藤本 大仁, 川上 拓人, 越野 幹人
    • 学会等名
      日本物理学会 2022 年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Stable topological domain walls in doped graphene nanoribbons2022

    • 著者名/発表者名
      Takuto Kawakami, Gen Tamaki, Mikito Koshino
    • 学会等名
      29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 谷天太, 人見将, 川上拓人, 越野幹人2022

    • 著者名/発表者名
      青リンにおけるトポロジカルエッジ・コーナー状態と分数コーナー電荷
    • 学会等名
      日本物理学会 第 77 回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Magnetic structures and topological gaps in polyacene2021

    • 著者名/発表者名
      T. Kawakami, G. Tamaki, M. Koshino
    • 学会等名
      The 12th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference (RPGR2021)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Multi-orbital edge and corner states of monolayer black phosphorene2021

    • 著者名/発表者名
      M. Hitomi, T. Kawakami, M. Koshino
    • 学会等名
      The 12th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference (RPGR2021)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Magnetic Domain Walls and Topological Bound States in Polyacene2021

    • 著者名/発表者名
      T. Kawakami, G. Tamaki, M. Koshino
    • 学会等名
      24th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-24)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topological Bound States in Multiway Junction of Graphene Nanoribbons and their Crystalline Networks2021

    • 著者名/発表者名
      G. Tamaki, T. Kawakami, Y. Hamamoto, Y. Morikawa, M. Koshino
    • 学会等名
      24th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-24)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ポリアセンにおける磁気秩序とトポロジカル磁壁局在状態2021

    • 著者名/発表者名
      川上拓人, 玉置弦, 越野幹人
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 第一原理計算によるポリアセンの磁気構造の研究2021

    • 著者名/発表者名
      玉置弦, 川上拓人, 越野幹人
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 単層黒リンのエッジおよびコーナー状態2021

    • 著者名/発表者名
      人見将, 川上拓人, 越野幹人
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 鉄系超伝導物質におけるトポロジカル状態2021

    • 著者名/発表者名
      川上拓人, 佐藤昌利
    • 学会等名
      ワークショップ「超伝導物質、トポロジカル物質」
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 3次元グラファイン-Nにおけるトポロジカルノード線半金属状態2020

    • 著者名/発表者名
      川上拓人, 野村高史, 越野幹人
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] グラフェンナノリボンの多端子接合におけるトポロジカル局在状態2020

    • 著者名/発表者名
      玉置弦, 川上拓人, 越野幹人
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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