| 研究課題/領域番号 |
21K03426
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
前橋 英明 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (30361661)
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| 研究分担者 |
藤山 茂樹 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (00342634)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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| キーワード | 熱電効果 / 熱磁気効果 / 核磁気共鳴 / ディラック電子系 / ワイル半金属 / 分子性導体 / 電磁双対性 / 分子性固体 / 誘電率 / 輸送現象 / 量子電磁力学 / 反磁性 / 電気伝導度 / 有機導体 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
ディラック電子系の電気的性質と磁気的性質を一体のものとして統一的にとらえるという俯瞰的視点から、ディラック電子系における電磁双対性の理論を構築し、その検証を行う。この電磁双対性は、量子電磁力学に特有の性質が形を変えてディラック電子系物質の中で発現するというものであり、物性物理学と高エネルギー物理学の垣根をこえた共通の概念である。常圧バルクで実現する二次元有機ディラック電子系を中心に、理論・実験両面から研究し、ディラック電子系関連物質の諸物性を電磁双対性という見方から統一的に理解する。
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| 研究実績の概要 |
われわれのこれまでの研究からα-(BETS)2I3が常圧でディラック電子系となっていることはある程度受け入れられてきた。この系では、50K以下で電気抵抗測定に異常が観測されトポロジカル状態へのクロスオーバーの可能性などが理論的に議論され始めている。また、ワイル半金属WP2ではゼロ磁場下で大きなウィーデマン・フランツ則の破れが観測されており、電気・熱輸送現象におけるクーロン斥力の重要性が指摘されていた。最近、このような有機・無機ディラック電子系関連物質の熱電・熱磁気効果が理論・実験双方から注目されている。このような状況を踏まえ、当該年度は以下のような研究を行った。
研究代表者（前橋）は、熱電・熱磁気効果に対するクーロン斥力の影響を理論的に調べた。クーロン斥力の効果が重要な半金属や重い電子系はフェルミ液体で記述することができる。たとえば非補償半金属のように、電子数と正孔数が異なりフェルミ面上の電子と正孔の全運動量がクーロン斥力による散乱の前後で保存される場合、フェルミ液体のゼーベック係数は比熱を電子と正孔の全電荷で割ったものに等しくなることを示した。一方、大きなフェルミ面をもつ重い電子系では、運動量を保存しないウムクラップ散乱によってゼーベック係数の符号が反転することも明らかにした。また、磁場下でのボルツマン方程式を厳密に解くことによって半金属の熱ホール係数を求め、それと関連する横方向のウィーデマン・フランツ則は、クーロン斥力に起因する非弾性散乱のために弱磁場の極限でも大きく破れることを見出した。
研究分担者（藤山）は、α-(BETS)2I3の最低温度における磁気トルクで観測された秩序モーメントとの関連を調べるため、BETS分子の13C、1H、またアニオン内の127Iの磁気共鳴測定を行った。この結果、磁気秩序モーメントはBETS分子上の電子には由来していないことが明らかとなった。
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| 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
当初の計画では、当該年度は分子性導体α-(BETS)2I3の熱電・熱磁気効果を中心に研究を進める予定であったが、50K以下での電気抵抗測定の異常と関連してトポロジカル状態へのクロスオーバーやクーロン斥力による電子相関効果の重要性が指摘され始めており、この系の基底状態に関しては一筋縄ではいかない状況となってきている。そこで、研究代表者（前橋）はより一般的な見地から熱電・熱磁気効果に対するクーロン斥力の影響を理論的に調べ、研究分担者（藤山）はα-(BETS)2I3の基底状態に関する磁気共鳴測定を行い、それぞれ重要な知見を得た。また、分子性導体は低対称の単位胞中に多数の元素を含有するため、一般に無機化合物と比較して第一原理計算が複雑となる。このため、低エネルギーの分散までを丁寧に計算する必要のあるフォノンの第一原理計算がなされたことはなかった。研究分担者（藤山）は負のエネルギーをもつ分枝が出ないようにする工夫を体得し、今後さまざまな有機導体を対象に研究を展開していく上において不可欠な知見も得ることができた。
このような理由で、おおむね順調に進展していると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの研究成果をまとめるとともに、引き続きディラック電子系関連物質の熱電・熱磁気効果に関する理論研究も行う。
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