| 研究課題/領域番号 |
22K04862
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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28020:ナノ構造物理関連
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
石井 史之 金沢大学, ナノマテリアル研究所, 教授 (20432122)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2025年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
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| キーワード | 第一原理計算 / ナノ構造予測 / スピン変換物質 / 異常ネルンスト効果 / 異常ホール効果 / 第一原理電子状態計算 / 結晶構造探索 / 熱電変換 / 光電変換 / シフト電流 / スピン変換 / 物質デザイン / ハイスループット計算 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究の目的は理論・計算科学的な手法によって電子のもつ磁気的自由度であるスピンの物質中における秩序状態（構造）を活かして, 熱エネルギーを電気エネルギーに変換したり，光エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換効率としての性能が高い物質，ナノマテリアルをデザインすることである。
本研究では電子スピンの相対論効果やスピン秩序によって出現する物質内部の（仮想）磁場を活用した新しいエネルギー変換ナノマテリアルを, スーパーコンピュータを用いて自動計算・網羅計算手法によってデザインする。
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は理論・計算科学的な手法によって電子のもつ磁気的自由度であるスピンの物質中における秩序状態（構造）を活かして, 熱エネルギーを電気エネルギーに変換したり，光エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換効率としての性能が高い物質をデザインすることである。新しいエネルギー変換ナノマテリアルを, スーパーコンピュータを用いて自動計算・網羅計算手法によってデザインすることをめざしている。
今年度の研究実績は主に次の2点である。
(i) バンドアンフォールディング法を用いて有限サイズのグラフェン（グラフェンフレーク）のディラック状態を計算した。特に、15×15の菱形格子グラフェンフレーク（約3.7 nm）において、完全なグラフェンに特徴的なディラック状態が明瞭に観測され、バルクに類似した電子状態が現れることが確認された。この成果をW. Amalia, N. Yamaguchi, S. Yunitasari, and F. Ishii, 93, 104707 (2024)として出版した。
(ii) 全ての遷移金属三ハロゲン化物に対して異常ホール伝導度（AHC）を第一原理計算により系統的に評価した。Fukui-Hatsugai-Suzuki法を用いた結果、強磁性単層体 PdBr3(PtBr3) において、キャリアドーピングの有無にかかわらず量子化異常ホール伝導度（QAHC）が現れることを明らかにした。QAHCに由来する熱電輸送特性を半古典的ボルツマン輸送理論を用いて解析し、横熱電係数（異常ネルンスト係数）を算出した。この成果をR. Syariati, S.A. Wella, E. Suprayoga, M.S. Muntini and Fumiyuki Ishii, J. Phys.: Condens. Matter 37, 025602 (2025) として
出版した。
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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
層状物質のツイスト系について、低コストでバンド構造を求める計算方法としてバンドアンフォールディング法をグラフェンフレークについて応用し、バルク系の電子状態が3.7nm程度のフレークで十分再現できることを明らかにした。論文W. Amalia, N. Yamaguchi, S. Yunitasari, and F. Ishii, 93, 104707 (2024)として出版できたことは、大きな成果である。この手法は異常ホール効果が報告されている磁性系についても適用可能であり、ツイスト系のスピン変換物質を探索する方法として重要である。
また、遷移金属カルコゲナイドの網羅的ハイスループット計算により、量子異常ホール絶縁体を発見し，大きな異常ネルンスト効果を示す可能性があることを予測し、論文R. Syariati, S.A. Wella, E. Suprayoga, M.S. Muntini and Fumiyuki Ishii, J. Phys.: Condens. Matter 37, 025602 (2025) として発表できたことは大きな成果である。
以上に加えて進展中の内容として異常ホール効果を層分解（空間分解）して解析する方法を開発しており、アクシオン絶縁体や交替磁性体における異常ホール効果、異常ネルンスト効果の予測手法として期待できる。よって進捗状況は順調であると評価できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
層状物質に限らず、金属薄膜や酸化物ヘテロ構造における異常ホール効果・スピンホール効果の計算を実施し、層分解することで異常ホール効果・異常ネルンスト効果、スピンホール効果のデバイス応用に向けて、新たな候補物質を探索する。
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