第一原理有効模型と相関科学のフロンティア

2011 年度 実績報告書

• 研究領域: コンピューティクスによる物質デザイン：複合相関と非平衡ダイナミクス
• 研究課題/領域番号: 22104010
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 今田 正俊 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (70143542)
• 研究分担者: 三宅 隆 産業技術総合研究所, 計算科学研究部門, 主任研究員 (30332638) ; 中村 和磨 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教 (60525236) ; 佐久間 怜 千葉大学, 大学院・融合科学研究科, 助教 (10512204)
• キーワード: 第一原理計算 / 強相関電子系 / 有効模型 / 光電子分光 / スピン軌道相互作用 / 鉄系超伝導体 / 有機導体 / 非従来型超伝導

研究概要

密度汎関数法と強相関模型解法を融合し、従来の密度汎関数法では困難な強相関電子系を高精度、低負荷で取り扱える新手法を確立し、現実の多彩な物質群への広範な実証研究の展開を進めた。とりわけ鉄系超伝導体の電子状態を第一原理的に導出された4種の鉄系超伝導体(:LaFeAsO,LaFePO,BaFe2As2,FeTe)の有効模型に対して、多変数変分モンテカルロ法を適用して調べ、これら4つの物質の磁性に関する実験結果を再現することを示した。現実物質が巨大なモット絶縁体の辺縁部に位置することもわかった。またCa_4Al_2O_6Fe_2As_2の電子状態を解明し、不純物効果の微視的理解を目的として、LaFeAsOに対する不純物ポテンシャルの第一原理評価を行った。Ba_<1-x>KxFe_2As_2でx=0.4で全ての軌道が同等に超伝導に寄与していると考えられるのに対しx=1.0ではs±波超伝導となっていることを光電子分光で見出した。超伝導体の第一原理計算を芳香族超伝導体、フラーレン超伝導体、窒化物超伝導体で行ない、従来型超伝導としては理解できない要素を抽出した。スピン軌道相互作用の強い物質群の電子状態の解明も進め、Sr_2IrO_4、Ba_2IrO_4はスピン軌道相互作用と電子相関の相乗作用によって磁気秩序が生じてはじめて絶縁化するスレータ-絶縁体であることを明らかにした。Cd_2Os_2O_7へのLDA+U計算に着手し、現実的なUのパラメータ領域では反強磁性絶縁体で、all-in/all-out磁気構造が安定であること、強い磁気異角性(single-ion anisotropy)をもつことを見いだした。また水銀カルコゲナイドの研究に基づき、スピン軌道相互作用を取り入れたGW近似はトポロジカル絶縁体一般の準粒子バンド構造の定量計算ツールとして有望であることを示した。トポロジカル絶縁体の物理の理論と光電子分光の両面からの研究も進めている。多バンド強相関物質について角度分解光電子分光を行い,第一原理計算との比較から電子相関効果を議論した.

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初の計画を超えて、MACE(第一原理強相関電子状態解明法)の適用が広範に進み、鉄系超伝導体、スピン軌道相互作用の強い物質などでの研究が大きく進展した。

今後の研究の推進方策

今後非平衡状態解明のための手法開発を進める。また光電子分光とMACEとの融合研究、トポロジカル絶縁体での興味ある物性の予測と設計を進める。

研究成果

• [雑誌論文] Ab initio Studies on the Interplay between Spin-Orbit Interaction and Coulomb Correlation in Sr_2IrO_4 and Ba_2IrO_4 (2012)
  • 著者名/発表者名: R.Arita, J.Kunes, A.V.Kozhevnikov, A.G.Eguiluz, M.Imada
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 巻: 108 ページ: 086403(1-5)
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevLett.108.86403
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mott Transition and Phase Diagram of κ-(BEDT-TTF)_2Cu(NCS)_2 Studied by Two-Dimensional Model Derived from Ab initio Method (2012)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Shinaoka, Takahiro Misawa, Kazuma Nakamura, Masatoshi Imada
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn. 巻: 81 ページ: 034701(1-15)
  • DOI: DOI:10.1143/JPSJ.81.034701
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles Electronic Structure of Superconductor Ca_4Al_2O_6Fe_2P_2 : Comparison with LaFePO and Ca_4Al_2O_6Fe_2As_2 (2012)
  • 著者名/発表者名: Taichi Kosugi, Takashi Miyake, Shoji Ishibashi
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn. 巻: 81 ページ: 014701(1-7)
  • DOI: DOI:10.1143/JPSJ.81.014701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of transition-metal substitution in the iron-based superconductor LaFeAsO : Momentum- and real-space analysis from first principles (2012)
  • 著者名/発表者名: S.Konbu, K.Nakamura, H.Ikeda, R.Arita
  • 雑誌名: Solid State Communications 巻: 152 ページ: 728-734
  • DOI: DOI:10.1016/j.ssc.2011.12.048
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic Properties of Ab initio Model for Iron-Based Superconductors LaFeAsO (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Misawa, Kazuma Nakamura, Masatoshi Imada
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn. 巻: 80 ページ: 023704(1-4)
  • DOI: DOI:10.1143/JPSJ.80.023704
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles structural optimization and electronic structure of picene superconductor for various potassium-doping levels (2011)
  • 著者名/発表者名: Taichi Kosugi, Takashi Miyake, Shoji Ishibashi, Ryotaro Arita, Hideo Aoki
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 84 ページ: 214506(1-8)
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.84.214506
  • 査読あり
• [雑誌論文] GW calculations with spin-orbit coupling : application to Hg chalcogenides (2011)
  • 著者名/発表者名: R.Sakuma, C.Friedrich, T.Miyake, S.Blugel, F.Aryasetiawan
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 84 ページ: 085144(1-10)
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.84.085144
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab initio electronic structure of solid coronene : Differences from and commonalities to picene (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Kosugi, T.Miyake, S.Ishibashi, R.Arita, H.Aoki
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 84 ページ: 020507(R)(1-4)
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.84.020507
  • 査読あり
• [雑誌論文] Slab Thickness Dependence of Rashba Splitting on Au (111) surface : First-principles and Model Analyses (2011)
  • 著者名/発表者名: Taichi Kosugi, Takashi Miyake, Shoji Ishibashi
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn. 巻: 80 ページ: 074713(1-7)
  • DOI: DOI:10.1143/JPSJ.80.074713
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab initio Derivation of Correlated Superatom Model for Potassium Loaded Zeolite A (2011)
  • 著者名/発表者名: Yoshiro Nohara, Kazuma Nakamura, Ryotaro Arita
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn. 巻: 80 ページ: 124705(1-7)
  • DOI: DOI:10.1143/JPSJ.80.124705
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles calculation of transition-metal impurities in LaFeAsO (2011)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Nakamura, Ryotaro Arita, Hiroaki Ikeda
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 83 ページ: 144512(1-9)
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.83.144512
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fermi-Suface Evolution by Transition-Metal Substitution in the Iron-based Superconductor LaFeAsO (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Konbu, K.Nakamura, H.Ikeda, R.Arita
  • 雑誌名: J.Phys.Soc.Jpn. 巻: 80 ページ: 123701(1-4)
  • DOI: DOI:10.1143/JPSJ.80.123701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Conduction-band electronic states of YbInCu4 studied by photoemission and soft x-ray absorption spectroscopies (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Utsumi, H.Sato, H.Kurihara, H.Maso, K.Hiraoka, K.Kojima, K.Tobimatsu, T.Ohkochi, S.Fujimori, Y.Takeda, Y.Saitoh, K.Mimura, S.Ueda, Y.Yamashita, H.Yoshikawa, K.Kobayashi, T.Oguchi, K.Shimada, H.Namatame, M.Taniguchi
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 84 ページ: 115143(1-7)
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.84.115143
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of van der Waals interaction in crystalline ammonia borane (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Yamauchi, I.Hamada, H.B.Huang, T.Oguchi
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 巻: 99 ページ: 181904(1-3)
  • DOI: DOI:10.1063/1.3657526
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two- and three-dimensional Fermi surfaces and their nesting properties in superconducting BaFe_2(As_<1-x>P_x)_2 (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yoshida. I.Nishi, S.Ideta, A.Fujimori, M.Kubota, K.Ono, S.Kasahara, T.Shibauchi, T.Terashima, Y.Matsuda, H.Ikeda, R.Arita
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 巻: 106 ページ: 117001(1-4)
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevLett.106.117001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Orbital-Independent Superconducting Gaps in Iron Pnictides (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Shimojima, F.Sakaguchi, K.Ishizaka, Y.Ishida, T.Kiss, M.Okawa, T.Togashi, C.-T.Chen, S.Watanabe, M.Arita, K.Shimada, H.Namatame, M.Taniguchi, K.Ohgushi, S.Kasahara, T.Terashima, T.Shibauchi, Y.Matsuda, A.Chainani, S.Shin
  • 雑誌名: Science 巻: 332 ページ: 564-567
  • DOI: DOI:10.1126/science.1202150
  • 査読あり
• [雑誌論文] Two-Fermi-Surface Superconducting State and a Nodal d-Wave Energy Gap of the Electron-Doped Sm1.85Ce0.15CuO4-□ Cuprate Superconductor (2011)
  • 著者名/発表者名: A.F.Santander-Syro, M.Ikeda, T.Yoshida, A.Fujimori, K.Ishizaka, M.Okawa, S.Shin, B.Liang, A.Zimmers, R.L.Greene, N.Bontemps
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 巻: 106 ページ: 197002(1-4)
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevLett.106.197002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Giant Rashba-type spin splitting in bulk BiTeI (2011)
  • 著者名/発表者名: K.Ishizaka, M.S.Bahramy, H.Murakawa, M.Sakano, T.Shimojima, T.Sonobe, K.Koizumi, S.Shin, H.Miyahara, A.Kimura, K.Miyamoto, T.Okuda, H.Namatame, M.Taniguchi, R.Arita, N.Nagaosa, K.Kobayashi, Y.Murakami, R.Kumai, Y.Kaneko, Y.Onose, Y.Tokura
  • 雑誌名: Nature Mater. 巻: 10 ページ: 521-526
  • DOI: DOI:10.1038/nmat3051
  • 査読あり
• [雑誌論文] Common Origin of the Circular-Dichroism Pattern in Angle-Resolved PhotoemissionSpectroscopy of SrTiO_3 and Cu_xBi_2Se_3 (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Ishida, H.Kanto, A.Kikkawa, Y.Taguchi, Y.Ito, Y.Ota, K.Okazaki, W.Malaeb, M.Mulazzi, M.Okawa, S.Watanabe, C.-T.Chen, M.Kim, C.Bell, Y.Kozuka, H.Y.Hwang, Y.Tokura, S.Shin
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 巻: 107 ページ: 077601(1-4)
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevLett.107.077601
  • 査読あり
• [雑誌論文] Non-thermal hot electrons ultrafastly generating hot optical phonons in graphite (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.Ishida, T.Togashi, K.Yamamoto, M.Tanaka, T.Taniuchi, T.Kiss, M.Nakajima, T.Suemoto, S.Shin
  • 雑誌名: Sci.Rep. 巻: 1 ページ: 64(1-5)
  • DOI: DOI:10.1038/srep00064
  • 査読あり
• [雑誌論文] Orbital characters of three-dimensional Fermi surfaces in Eu2-xSrxNiO4 as probed by soft-x-ray angle-resolved photoemission spectroscopy (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Uchida, K.Ishizaka, P.Hansmann, X.Yang, M.Sakano, J.Miyawaki, R.Arita, Y.Kaneko, Y.Takata, M.Oura, A.Toschi, K.Held, A.Chainani, O.K.Andersen, S.Shin, Y.Tokura
  • 雑誌名: Phys.Rev.B 巻: 84 ページ: 241109(R)(1-5)
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.84.241109
  • 査読あり
• [学会発表] Interplay between Spin-Orbit Interaction and Coulomb Correlation in Sr2IrO4 and Ba2IrO4 (2012)
  • 著者名/発表者名: Ryotaro Arita
  • 学会等名: RIKEN-APW-joint workshop Recent trends in condensed matter physics
  • 発表場所: Wako, Japan(招待講演)
  • 年月日: 20120614-20120616
• [学会発表] Time-resolved ARPES of graphite using deep-to-extreme UV lasers (2012)
  • 著者名/発表者名: Y.Ishida
  • 学会等名: JAEA Symposium on Synchrotron Radiation Research
  • 発表場所: Public Relations Center of SPring-8, Hyogo(招待講演)
  • 年月日: 20120307-20120309
• [学会発表] Dynamically screened Coulomb interaction and GW self-energy in transition metal compounds (2012)
  • 著者名/発表者名: T.Miyake
  • 学会等名: Frontiers of Electronic Structure Theory : Strong Correlations from First Principles" in the spring meeting of the German Physical Society
  • 発表場所: Berlin, Germany(招待講演)
  • 年月日: 2012-03-30
• [学会発表] 第一原理電子状態計算による鉄系超伝導体関連物質の研究 (2012)
  • 著者名/発表者名: 石橋章司
  • 学会等名: 日本物理学会第67回年次大会
  • 発表場所: 関西学院大学、西宮市(招待講演)
  • 年月日: 2012-03-27
• [学会発表] Mechanism of high Tc superconductivity in layered nitride superconductors : Insights from DFT for superconductors (2011)
  • 著者名/発表者名: Ryotaro Arita
  • 学会等名: Novel Quantum States in Condensed Matter 2011 (NQS2011)
  • 発表場所: Kyoto, Japan(招待講演)
  • 年月日: 20111205-20111209
• [学会発表] Variational Monte Carlo study of strongly correlated electron systems (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Misawa
  • 学会等名: Japan-Swiss Workshop, New Electronic Properties through Structure and Correlation
  • 発表場所: Swiss ETH(招待講演)
  • 年月日: 20110916-20110918
• [学会発表] Present status of Soft X-ray RIXS in SPring-8 ; electronic structure of liquids and protein (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Shin
  • 学会等名: Workshop on Resonant Inelastic and Elastic X-Ray Scattering
  • 発表場所: SLS, PSI, Switzerland(招待講演)
  • 年月日: 20110916-20110917
• [学会発表] Mechanism of high Tc superconductivity in layered nitride superconductors : Insights from DFT for superconductors (2011)
  • 著者名/発表者名: Ryotaro Arita
  • 学会等名: Tokyo-Cologne Workshop on Strongly Correlated Transition-Metal Compounds
  • 発表場所: Cologne, Germany(招待講演)
  • 年月日: 20110907-20110909
• [学会発表] Fermi surfaces, electron correlation, and superconducting gaap in Fepnictides studied by ARPES (2011)
  • 著者名/発表者名: A.Fujimori
  • 学会等名: Workshop on Search for New Physics in Transition Metal Compounds by Spectroscopies
  • 発表場所: Institute for Materials Research (IMR), Tohoku University, Sendai(招待講演)
  • 年月日: 20110728-20110730
• [学会発表] Laser-ARPES study on Fe-pnictide superconductors (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Shin
  • 学会等名: International Workshop on Strong Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (CORPES11)
  • 発表場所: Berkeley, California, USA(招待講演)
  • 年月日: 20110718-20110722
• [学会発表] Three-dimensional Fermi surfaces and their nesting properties in the iron pnictide superconductor BaFe_2(As_<1-x>P_x)_2 (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Yoshida
  • 学会等名: 8th International Conference on Stripes and High Tc Superconductivity (STRIPES 11)
  • 発表場所: Rome, Italy(招待講演)
  • 年月日: 20110710-20110716
• [学会発表] Impurity effects in iron-based superconductors (2011)
  • 著者名/発表者名: Ryotaro Arita
  • 学会等名: Ringberg Symposium on High Temperature Superconductivity
  • 発表場所: Schloss Ringberg, Germany(招待講演)
  • 年月日: 20110516-20110519
• [学会発表] Design of d1, d7, and J=1/2 analogs of cuprates from first principles (2011)
  • 著者名/発表者名: Ryotaro Arita
  • 学会等名: KIAS workshop on Frontiers in Condensed matter physics
  • 発表場所: Korea institute for advanced study, Korea(招待講演)
  • 年月日: 20110509-20110512
• [学会発表] Ab initio low-energy models in iron-based supeconductors studied by variational Monte Carlo method : Role of electron correlation and origin of small magnetic ordered moment m LaFeAsO (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Misawa
  • 学会等名: Villa Conference on Iron Pnictide Superconductors
  • 発表場所: Las Vegas, USA(招待講演)
  • 年月日: 20110421-20110425
• [学会発表] Topological transitions and topological insulators (2011)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Imada
  • 学会等名: The 26th Nishinomiya-Yukawa Memorial International Workshop "Novel Quantum States in Condensed Matter 2011 (NQS2011)"
  • 発表場所: Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University(招待講演)
  • 年月日: 2011-11-22
• [学会発表] Electronic structure and correlation effects in iron-based superconductors (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Miyake
  • 学会等名: The 14th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 発表場所: Univ.Tokyo(招待講演)
  • 年月日: 2011-11-01
• [学会発表] Alkali-metal loaded zeolites : Relativistic and correlated s electron systems (2011)
  • 著者名/発表者名: Ryotaro Arita
  • 学会等名: Zurich Theoretical Physics Colloquium
  • 発表場所: Zurich, Switzerland(招待講演)
  • 年月日: 2011-10-31
• [学会発表] Electron-correlation physics of iron-based superconductors (2011)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Imada
  • 学会等名: International Workshop on Electronic Correlations in Models and Materials
  • 発表場所: Augsburg, Germany(招待講演)
  • 年月日: 2011-09-15
• [学会発表] 第一原理計算による相関物質科学のフロンティア (2011)
  • 著者名/発表者名: 三宅隆
  • 学会等名: 物性研究所計算物質科学研究センター第1回シンポジウム-「京」と大型実験施設の連携に向けて-
  • 発表場所: 東京大学物性研究所(招待講演)
  • 年月日: 2011-09-13
• [学会発表] Constrained RPA method for electronic states of correlated materials (2011)
  • 著者名/発表者名: Takashi Miyake
  • 学会等名: Joint CECAM/Psi-k Workshop on "Challenges and solutions in GW calculations for complex systems"
  • 発表場所: Lausanne, Switzerland(招待講演)
  • 年月日: 2011-06-07
• [学会発表] Ab initio Derivation of Correlated Superatom Model for Potassium Loaded Zeolite A (2011)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Nakamura, Ryotaro Arita, Yoshiro Nohara, Takehito Nakano, Yasuo Nozue
  • 学会等名: 16th International Symposium on Intercalation Compounds
  • 発表場所: Czech Eepublic(招待講演)
  • 年月日: 2011-05-23