| 研究課題/領域番号 |
23K03288
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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 | 明治大学 |
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研究代表者 |
楠瀬 博明 明治大学, 理工学部, 専任教授 (00292201)
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| 研究分担者 |
速水 賢 北海道大学, 理学研究院, 教授 (20776546)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 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 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2025年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2023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 | カイラリティ / 電気トロイダル単極子 / シフトテンソル / カイラルメタン / 対称性適合多極子基底 / 多極子基底 / スピン軌道相互作用 / フォノン / 第一原理電子状態 / フロッケ理論 / 円偏光電磁場 / 多極子 / 絶対不斉合成 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
カイラル物質は純粋回転の対称性のみを持つ系であり、多様な交差相関応答が発現する。しかし、カイラリティを特徴づける微視的変数はこれまで議論されてこなかった。申請者はこの微視的変数が電気トロイダル単極子であることを見出した。そこで本研究では、電子状態、格子振動、電磁場などの外場のそれぞれについて、電気トロイダル単極子を具現化し、多様な交差相関応答の発現機構を明らかにする。典型物質のテルル、水晶などに対して、電子模型を構築し、電気トロイダル単極子を具現化する。フォノン・電磁場と電子系の電気トロイダル単極子を介した結合を導き、カイラリティの外場制御法を見出すことを目指す。
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| 研究実績の概要 |
我々は、固体結晶中の多様な電子自由度を多極子の自由度を用いて整理することで、交差相関物性を系統的に理解する試みにおいて、電子系のハミルトニアンを多極子基底で展開し第一原理計算と融合する一般的手法を開発している。
この方法を用いて、次のようなカイラリティの微視的定量化に向けた研究を行った。(i) メタン分子の解析、(ii) 総合報告の出版と周知活動、(iii) NMRのシフトテンソルの磁場角度異方性を利用した相対カイラリティ構造同定方法の提案、(iv) 電子自由度と外場から構成されるカイラル要素の整理とカイラリティ研究の展望のレビュー、を行った。
(i) 捻ったメタン分子の解析から、カイラリティの微視的要素を定量的に特徴づける研究を行った。メタン分子はs-p軌道系であり、カイラリティを特徴づける基底である電気トロイダル単極子を微視的に構成するためには、スピン自由度を用いるしかない。s-sまたはs-p間の虚数ホッピングとスピンにより構成される電気トロイダル単極子がカイラリティを定量化する指標となることを明らかにした。この秩序変数の起源はスピン軌道相互作用であり、その効果が極度に小さいメタンではカイラル分子構造を取ることによるエネルギー利得が小さいため、現実の分子はカイラルにならないと結論できる。
(ii) 4種の多極子基底の導入とその意義、具体的な物性解析の例をまとめた総合報告を出版した。
(iii) シフトテンソルの非対角要素にカイラリティや極性の情報が現れることに着目した相対カイラリティ同定の一般論と解析方法を提案した。
(iv) カイラリティは、対称性の観点から誤った定義が多く使われ混乱が生じている。特にスピン自由度や外場と結合した場合に、対称性の観点から正しいカイラリティを整理し、真にカイラルな自由度と結合する自由度という視点からカイラリティ誘導交差相関研究レビューを出版した。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
理由
電子状態を対称性の観点から扱うことのできる多極子完全基底の理論が完成し、具体的に計算を実行するためのソフトウェアの整備が進んだため、カイラリティを微視的に理解することが可能となりつつある。
微視的な電子状態を具体的に解析する上で多極子完全基底と第一原理計算の融合が進みつつあるので、分子の場合にカイラリティの定量化に成功し、また、当該分野をリードする総合報告や展望を述べたレビューを出版した。
また、副産物としてNMRのシフトテンソルを利用したカイラリティの相対的な同定法も提案できた。
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| 今後の研究の推進方策 |
多極子基底と第一原理計算の融合が進みつつあるので、実際にカイラル結晶にその方法を適用して、結晶カイラリティの定量化と理解を目指すとともに、外場との結合を定量的に扱う方法を模索する。とくに、結晶系において重要となるスピン軌道相互作用に由来しない軌道自由度の重要性を明らかにするとともに、光電子分光やX線・中性子線散乱実験により、カイラリティを同定していく新しい実験手段を提案していく。
また、同様の手法をフォノン系に適用することで、カイラルフォノンも定量化し、カイラル結晶の磁気効果におけるフォノンや電子軌道の役割を明らかにしていく。
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