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2.5次元物質における光学応答効果と光・電子機能設計の理論

公募研究

研究領域2.5次元物質科学:社会変革に向けた物質科学のパラダイムシフト
研究課題/領域番号 22H05473
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
研究機関関西学院大学

研究代表者

若林 克法  関西学院大学, 工学部, 教授 (50325156)

研究期間 (年度) 2022-06-16 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
2023年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2022年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
キーワードトポロジカル物質 / 遷移金属ダイカルコゲナイド / 原子膜物質 / シフト電流 / エネルギーハーベスティング / 非線形光学応答 / 2.5次元物質 / 量子マテリアル / 光学的スピンホール効果 / 電子輸送現象 / グラフェン / 光デバイス / スピントロニクス
研究開始時の研究の概要

グラフェンなどの系の厚さが一原子層である二次元物質は、光・電子機能を有するフレキシブルデバイスへの応用が期待されている。さらに、積層数や積層回転角の違いによって、超伝導や相関絶縁体など様々な電子物性が発現する。本研究では、二次元物質を人工積層した系である2.5次元物質に着目し、電磁場によるスピン流の駆動など、2.5次元物質を基盤とした新しい光・スピントロニクスデバイスの理論設計を行う。

研究実績の概要

本研究課題では、2次元および2.5次元物質における電子波動関数のトポロジカル特性を系統的に解析することで、電子物性の基礎学理を構築に貢献するとともに、エネルギーハーベスティングデバイスなど新しい光・電子デバイス設計のアイデアを提示することを目的とする。さらに、2.5次元物質における光学的な電子スピン励起過程に理論的に解析することで、スピン流の生成を制御し、エネルギー効率性の高い光・電子デバイスを設計することにある。
2023年度は、最近合成が報告された二次元炭素材料であるビフェニレンネットワーク(BPN)に着目し、その電子状態とトポロジカル特性を解析し、さらにフォトニック結晶への応用展開の可能性を探求した。BPNは、グラフェンと同じく炭素原子のみからなる二次元物質であり、四員環、六員環、八員環を含むユニークな結晶構造を持つ。そのため、ハニカム構造のグラフェンとは結合のトポロジーが異なる。我々は、BPNの結晶構造に基づく強束縛模型を用いて、電子状態およびザック位相を数値解析した。さらに、エッジ状態をもつ端構造を組み合わせて、「エッジのエッジ」として出現するコーナー状態の出現条件を解明した。
この他にも、遷移金属モノカルコゲナイド系に対する非線形光学応答効果に関する数値解析なども行った。また、領域メンバーとの共同研究を実施し、二階建てHexNetにおける電子状態解析などを行った。さらに、二次元配位ナノシートの電子状態解析と歪み効果に関する研究、およびスケーリング関数による最大局在ワニエ関数の構築手法の開発を実施した。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (34件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 10件、 招待講演 2件) 図書 (1件)

  • [国際共同研究] IISER TIRUPATI(インド)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] 寧波大学(中国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] 寧波大学(中国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Microwave hinge states in a simple cubic lattice photonic crystal insulator2024

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Shun、Ashida Yuya、Phan Huyen Thanh、Yamashita Kenichi、Ueda Tetsuya、Wakabayashi Katsunori、Iwamoto Satoshi
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 109 号: 12 ページ: 125304-125304

    • DOI

      10.1103/physrevb.109.125304

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Effective Conduction Path of a C60 Chain in a Nanogap Electrode2024

    • 著者名/発表者名
      Takei Masato、Hirama Takuma、Suga Hiroshi、Wakabayashi Katsunori、Tsukagoshi Kazuhito
    • 雑誌名

      ACS Applied Electronic Materials

      巻: 6 号: 3 ページ: 1740-1745

    • DOI

      10.1021/acsaelm.3c01656

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Topological edge and corner states in the biphenylene network2024

    • 著者名/発表者名
      Koizumi Keiki、Phan Huyen Thanh、Nishigomi Kento、Wakabayashi Katsunori
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 109 号: 3

    • DOI

      10.1103/physrevb.109.035431

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Topological edge and corner states in biphenylene photonic crystal2024

    • 著者名/発表者名
      Phan Huyen Thanh、Koizumi Keiki、Liu Feng、Wakabayashi Katsunori
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 32 号: 2 ページ: 2223-2223

    • DOI

      10.1364/oe.510595

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Approximating maximally localized Wannier functions with position scaling eigenfunctions2023

    • 著者名/発表者名
      Hamai Yuji、Wakabayashi Katsunori
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 108 号: 24

    • DOI

      10.1103/physrevb.108.245413

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Bound states at disclinations: an additive rule of real and reciprocal space topology2023

    • 著者名/発表者名
      He Qinghua、Sun Jinhua、Deng Hai-Yao、Wakabayashi Katsunori、Liu Feng
    • 雑誌名

      Frontiers in Physics

      巻: 11

    • DOI

      10.3389/fphy.2023.1213158

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Symmetry manipulation of nonlinear optical effect for metallic transition-metal dichalcogenides2023

    • 著者名/発表者名
      Habara Ren、Wakabayashi Katsunori
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 107 号: 11

    • DOI

      10.1103/physrevb.107.115422

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhanced valley polarization of graphene on h-BN under circularly polarized light irradiation2022

    • 著者名/発表者名
      Nakagahara Keisuke、Wakabayashi Katsunori
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 106 号: 7

    • DOI

      10.1103/physrevb.106.075403

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Electronic and topological properties of atomically-thin 2D Materials2024

    • 著者名/発表者名
      Katsunori Wakabayashi
    • 学会等名
      International Conference on Frontiers in Pure and Applied Physics (ICFPAP-2024)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Electronic and optical properties of monolayer SnS2024

    • 著者名/発表者名
      Y. Kusunoki, K. Wakabayashi
    • 学会等名
      FNTG66
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topological edge and corner states in 2D biphenylene network2024

    • 著者名/発表者名
      Keiki Koizumi, Huyen Thanh Phan, Katsunori Wakabayashi
    • 学会等名
      FNTG66
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Electronic states and strain effects of Co-based organic nanosheets2024

    • 著者名/発表者名
      Kento Nishigomi, Akichika Kumatani, Kazuhito Tsukagoshi, Katsunori Wakabayashi
    • 学会等名
      FNTG66
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Skin effect caused by point gap topology in non-Hermitian photonic crystal2024

    • 著者名/発表者名
      Huyen Thanh Phan, Katsunori Wakabayashi
    • 学会等名
      応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Nonlinear optical effect and DC photocurrent for few-layered metallic TMDC2023

    • 著者名/発表者名
      Katsunori Wakabayashi
    • 学会等名
      International Workshop on Advanced Materials and Devices (IWAMD 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological states in 3D Woodpile photonic crystal2023

    • 著者名/発表者名
      Huyen Thanh Phan, Shun Takahashi, Satoshi Iwamoto, and Katsunori Wakabayashi
    • 学会等名
      International Workshop on Advanced Materials and Devices (IWAMD 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] SnSとCoBHTの電子物性に関する理論的研究2023

    • 著者名/発表者名
      楠 勇輝, 西込健人, 若林克法
    • 学会等名
      第6回領域会議
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] CoBHTの電子状態の歪み効果とトポロジカル特性2023

    • 著者名/発表者名
      西込 健人, 熊谷 明哉, 塚越 一仁, 若林 克法
    • 学会等名
      応用物理学会関西支部講演会「SDGsと応用物理」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 二次元ビフェニレンネットワークのZak 位相とトポロジカル特性2023

    • 著者名/発表者名
      小泉圭輝, Phan Thanh Huyen, 若林克法
    • 学会等名
      JST CREST トポロジー領域合同セミナー
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 二次元ビフェニレンネットワークの電子状態とトポロジカル特性2023

    • 著者名/発表者名
      小泉圭輝, Phan Thanh Huyen, 若林克法
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Higher Order Topological States in 3D Woodpile Photonic Crystal2023

    • 著者名/発表者名
      Huyen Thanh Phan, Shun Takahashi, Satoshi Iwamoto, Katsunori Wakabayashi
    • 学会等名
      JST CREST トポロジー領域合同セミナー
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Strain effects on topological properties of CoBHT2023

    • 著者名/発表者名
      Kento Nishigomi, Katsunori Wakabayashi
    • 学会等名
      第5回領域会議
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] CoBHT の電子状態における歪み効果の理論的研究2023

    • 著者名/発表者名
      K. Nishigomi, A. Kumatani, K. Tsukagoshi, and K. Wakabayashi
    • 学会等名
      JSAP meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 二階建て二次元六角ネットワークHexNetの電子状態2023

    • 著者名/発表者名
      若林克法, 越野幹人, 岡田晋
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 二階建て二次元六角ネットワークHexNetの物質設計2023

    • 著者名/発表者名
      岡田晋, 若林克法, 越野幹人, 丸山実那, 高燕林
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Nonlinear optical effect and DC photocurrent for few-layered metallic TMDC2022

    • 著者名/発表者名
      R. Habara and K. Wakabayashi
    • 学会等名
      The 13th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Conference
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Nonlinear optical Hall effect and DC photocurrent for few-layered NbSe22022

    • 著者名/発表者名
      R. Habara and K. Wakabayashi
    • 学会等名
      The 63rd Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 少数層NbSe2の非線形光学的ホール伝導度に関する理論研究2022

    • 著者名/発表者名
      R. Habara and K. Wakabayashi
    • 学会等名
      JSAP Autumn Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 金属TMDCの非線形光学効果と偏向依存性に関する理論的研究2022

    • 著者名/発表者名
      R. Habara and K. Wakabayashi
    • 学会等名
      JPS meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Topological edge states in Biphenylene Network2022

    • 著者名/発表者名
      K. Koizumi, H. T. Phan, and K. Wakabayashi
    • 学会等名
      The 63rd Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Strain Effects on Electronic States of CoBHT: Theoretical Studies2022

    • 著者名/発表者名
      K. Nishigomi, A. Kumatani, K. Tsukagoshi, and K. Wakabayashi
    • 学会等名
      The 63rd Fullerenes-Nanotubes-Graphene General Symposium
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [図書] Encyclopedia of Condensed Matter Physics (Edited by T. Chakraborty)2023

    • 著者名/発表者名
      Katsunori Wakabayashi 他多数
    • 総ページ数
      4466
    • 出版者
      Elsevier
    • ISBN
      9780323914086
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2022-06-20   更新日: 2024-12-25  

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