第一原理有効模型と相関科学のフロンティア

2013 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, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70143542)
• 研究分担者: 三宅 隆 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノシステム研究部門, 主任研究員 (30332638) ; 中村 和磨 九州工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60525236)
• 研究期間 (年度): 2010-04-01 – 2015-03-31
• 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

研究実績の概要

密度汎関数法と強相関模型解法の融合により、強相関電子系を第一原理的に扱う標準手法が大きく前進した。この手法を多彩な強相関電子系に適用し、物理の解明に成功してきている。平成25年度はこの手法をさらに発展させて展開し、ネオジウムを含む強磁性体の磁化や磁気異方性を決める機構を解明し、窒素添加の効果について解明した。またスピン軌道相互作用が扱えるように手法を開発した。以下に大きな進展のあった課題を挙げる。
「方法論の開発」(1)スピン軌道相互作用の強い系を扱えるように手法を拡張した。(2) HiLAPW法のコード開発(3)電子格子相互作用系のab initio downfolding法の開発と応用：格子の自由度も考慮にいれたab initio downfoldingの方法（制限密度汎関数摂動論）の開発を行い、鉄系超伝導体とフラーレン超伝導体への適用をおこなった。(4)時間分解光電子分光の理論解析手法の開発：時間分解光電子分光は、ポンププローブ法により、光により励起された電子の緩和の様子を実時間で調べられる手法である。この実験で励起電子の実時間発展プロセスを理論的に調べる手法の開発を行なった。
上記手法を応用して以下の成果を得た。
(1)ネオジウム鉄強磁性体NdFe12, NdFe11TiおよびNdFe11TiNの磁化、磁気異方性の機構解明(2)有機伝導体におけるプラズモン効果の解明(3)プラズモン機構による超伝導機構の第一原理的解明(4)鉄系超伝導体の原子置換効果の解明(5) Bi(111)表面の表面電子状態について第一原理計算に基づき解析を行った。角度分解光電子分光実験により観測されたバルクバンドのギャップ中に現れる強度の弱いRashba型のバンド構造に対して、表面上に二重層成長した三角島構造のエッジに局在した一次元バンドであることを明らかにした。

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

MACE(第一原理強相関電子状態解明法)の適用が広範に進み、鉄系超伝導体の超伝導機構解明のさらなる進展やスピン軌道相互作用の強い物質、特にイリジウム化合物での第一原理的計算によりスピン液体の形成条件が明らかにされ、またイリジウム化合物に生じる磁気相中での磁壁がトポロジカルな性質を示すことを示した。また電子格子相互作用と強い電子相関を持つ系の第一原理的な解明のための手法が進み、実時間光電子分光の解析法の研究も進んだ。強磁性体の磁化、保持力の機構解明も進み始めた。カーボンナノチューブを例に取り、太陽電池の新たな効率的エネルギー変換機構の解明も進んだ。全体に当初の計画以上に進展している。

今後の研究の推進方策

高温超伝導機構の解明を進める。
スピン軌道相互作用が生む新たなトポロジカル相の究明を進める。
実時間光電子分解の理論を構築する。
太陽電池の高効率エネルギー変換機構を解明し更なる高効率変換の指針を得る。

研究成果

• [雑誌論文] Effect of electron-phonon interactions on orbital fluctuations in iron-based superconductors (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Nomura, K. Nakamura and R. Arita
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 112 ページ: 027002 (1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.027002
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles study of Magnetocrystalline Anisotropy and Magnetization in NdFe12, NdFe11Ti and NdFe11TiN (2014)
  • 著者名/発表者名: Takashi Miyake, Kiyoyuki Terakura, Yosuke Harashima, Hiori Kino and Shoji Ishibashi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 83 ページ: 043702(1-4)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.043702
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Second-order Perturbation Formula for Magnetocrystalline Anisotropy using Orbital Angular Momentum Matrix (2014)
  • 著者名/発表者名: Taichi Kosugi, Takashi Miyake, and Shoji Ishibashi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 83 ページ: 044707(1-4)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.044707
  • 査読あり
• [雑誌論文] Derivation of Static Low-Energy Effective Models by ab initio Downfolding Method without Double Counting of Coulomb Correlations: Application to SrVO3 , FeSe and FeTe (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Hirayama, T. Miyake and M. Imada
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 87 ページ: 195144 (1-22)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.195144
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Raman-scattering measurements and theory of the energy-momentum spectrum for underdoped Bi2Sr2CaCuO8+δ superconductors: Evidence of an s-wave structure for the pseudogap (2013)
  • 著者名/発表者名: Shiro Sakai, Sebastien Blanc, Marcello Civelli, Yann Gallais, Maximilien Cazayous, Marie-Aude Measson, Jinsheng Wen, Zhijun Xu, Genda Gu, Giorgio Sangiovanni, Yukitoshi Motome, Karsten Held, Alain Sacuto, Antoine Georges, and Masatoshi Imada
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 111 ページ: 107001 (1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.107001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phase diagram structure of topological Mott transition for zero-gap semiconductors beyond conventional Landau-Ginzburg-Wilson scenario (2013)
  • 著者名/発表者名: Moyuru Kurita, Youhei Yamaji, and Masatoshi Imada
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 88 ページ: 115143 (1-21)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.115143
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory of Pseudogap in Underdoped Cuprates (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Imada, S. Sakai, Y. Yamaji and Y. Motome
  • 雑誌名: J. Phys. Conf. Ser. 巻: 449 ページ: 012005 (1-10)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/449/1/012005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved Multi-Variable Variational Monte Carlo Method Examined by High-Precision Calculations of One-Dimensional Hubbard Model (2013)
  • 著者名/発表者名: Ryui Kaneko, Satoshi Morita, Masatoshi Imada
  • 雑誌名: J. Phys. Conf. Ser. 巻: 454 ページ: 012046 (1-9)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/454/1/012046
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum Monte Carlo Simulations for Stacked Spin-Ladder Systems Containing Low Concentrations of Nonmagnetic Impurities: Application to the Low-Temperature Broadening of NMR Spectra in SrCu2O3 (2013)
  • 著者名/発表者名: Robert Achleitner, Hans Gerd Evertz, Masatoshi Imada, Ralf Gamillscheg, Peter Mohn
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 88 ページ: 214422 (1-10)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.214422
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomically resolved spectroscopic study of Sr2IrO4: Experiment and theor (2013)
  • 著者名/発表者名: Qing Li, Guixin Cao, Satoshi Okamoto, Jieyu Yi, Wenzhi Lin, Brian C. Sales, Jiaqiang Yan, Ryotaro Arita, Jan Kunes, Anton V. Kozhevnikov, Adolfo G. Eguiluz, Masatoshi Imada, Zheng Gai, Minghu Pan, David G. Mandrus
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 3 ページ: 3073 (1-7)
  • DOI: 10.1038/srep03073
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonempirical study of superconductivity in alkali-doped fullerides based on density functional theory for superconductor s (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Akashi and R. Arita
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 88 ページ: 054510(1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.054510
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of density functional theory for plasmon-assisted superconducting state: Application to Lithium under high p ressures (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Akashi and R. Arita
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 111 ページ: 057006 (1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.057006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Density functional theory for superconductors with particle-hole asymmetric electronic structure (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Akashi and R. Arita
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 88 ページ: 014514 (1-12)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.014514
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-orbital frustration in molybdenum pyrochlores A2Mo2O7 (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Shinaoka, Y. Motome, T. Miyake and S. Ishibashi
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 88 ページ: 174422(1-7)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.174422
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] GW calculation of plasmon excitations in the quasi-one-dimensional organic compound (TMTSF)2PF6 (2013)
  • 著者名/発表者名: Kazuma Nakamura, Shiro Sakai, Ryotaro Arita, and Kazuhiko Kuroki
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 88 ページ: 125128(1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.125128
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of Zn substitution on the electronic structure of BaFe2As2 revealed by angle-resolved photoemission spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Ideta, T. Yoshida, M. Nakajima, W. Malaeb, T. Shimojima, K. Ishizaka, A. Fujimori, H. Kimigashira, K. Ono, K. Kihou, Y. Tomioka, C. H. Lee, A. Iyo, H. Eisaki, T. Ito, and S. Uchida
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 87 ページ: 201110R (1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.201110
  • 査読あり
• [雑誌論文] Absence of superconductivity in the “hole-doped” Fe pnictide Ba(Fe1-xMnx)2As2: Photoemission and x-ray absorption spectroscopy studies (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Suzuki, T. Yoshida, S. Ideta, G. Shibata, K. Ishigami, T. Kadono, A. Fujimori, M. Hashimoto, D. H. Lu, Z.-X. Shen, K. Ono, E. Sakai, H. Kumigashira, M. Matsuo, and T. Sasagawa,
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 88 ページ: 100501R (1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.88.100501
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic-Layer Alignment Tuning for Giant Perpendicular Magnetocrystalline Anisotropy of 3d Transition-Metal Thin Films (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Hotta, K. Nakamura, T. Akiyama, T. Ito, T. Oguchi, and A. J. Freeman
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 110 ページ: 267206(1-5)
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.267206
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fermiological interpretation of FeTe_{1-x}Se_{x} thin crystal by quantum conductance oscillation (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Okazaki, T. Yamaguchi, T. Watanabe, K. Deguchi, S. Demura, S. J. Denholme, T. Ozaki, Y. Mizuguchi, H. Takeya, T. Oguchi, and Y. Takano
  • 雑誌名: Euro. Phys. Lett. 巻: 104 ページ: 37010(1-6)
  • DOI: 10.1209/0295-5075/104/37010
  • 査読あり
• [学会発表] 第一原理計算に基づいた希土類磁石の電子論 (2014)
  • 著者名/発表者名: 三宅 隆
  • 学会等名: 金属学会2014年春期講演大会
  • 発表場所: 東京工業大学, 東京
  • 年月日: 2014-03-21 – 2014-03-21
  • 招待講演
• [学会発表] スピン・軌道磁気モーメントの評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 石橋章司
  • 学会等名: 第８回 CMSI産官学連続研究会 「永久磁石研究の最前線：計算科学的アプローチの課題 と展望 」
  • 発表場所: 秋葉原, 東京
  • 年月日: 2014-02-05 – 2014-02-05
  • 招待講演
• [学会発表] 低エネルギープラズモン状態のGW解析：有機導体および遷移金属酸化物への応用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中村和磨
  • 学会等名: フロンティア物理講演会 in 山形
  • 発表場所: 山形大学, 山形
  • 年月日: 2014-01-30 – 2014-01-30
  • 招待講演
• [学会発表] 平面波基底とPAW法を用いた２成分スピノル形式の電子状態計算 (2014)
  • 著者名/発表者名: 石橋章司
  • 学会等名: コンピューティクス勉強会
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス, 東京
  • 年月日: 2014-01-27 – 2014-01-27
  • 招待講演
• [学会発表] First-principles study of the Mott transition and superconductivity in A3C60 (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Arita
  • 学会等名: RIKEN-APW joint workshop "Highlights in condensed matter physics"
  • 発表場所: Saitama, Japan
  • 年月日: 2014-01-23 – 2014-01-25
  • 招待講演
• [学会発表] 低エネルギープラズマロン状態のGW解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 中村和磨
  • 学会等名: 第3回 強相関電子系理論の最前線 -若手によるオープン・イノベーション-
  • 発表場所: 勝浦観光ホテル, 那智勝浦町, 和歌山
  • 年月日: 2013-12-16 – 2013-12-18
  • 招待講演
• [学会発表] Novel Electronic States in Perovskite Oxides (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Oguchi
  • 学会等名: 5th IACS-APCTP International Conference on Novel Oxide Materials and Low Dimensional Systems
  • 発表場所: Indian Institute of Science, Bangalore, India
  • 年月日: 2013-12-09 – 2013-12-11
  • 招待講演
• [学会発表] Superconducting density functional theory for doped band insulators (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Arita
  • 学会等名: FIRST-QS2C workshop on emergent phenomena of correlated materials
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2013-11-13 – 2013-11-16
  • 招待講演
• [学会発表] Novel Quantum Phases and Nonequilibrium Dynamics in Strongly Correlated Quantum Systems (2013)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Imada
  • 学会等名: CMSI International Symposium 2013 -Extending the power of computational materials sciences with K-computer-
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2013-10-21 – 2013-10-22
  • 招待講演
• [学会発表] Development of density functional theory for unconventional superconductors (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Arita
  • 学会等名: Digital Design of Materials
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2013-09-27 – 2013-09-29
  • 招待講演
• [学会発表] Iridates as playgrounds of topological physics (2013)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Imada
  • 学会等名: International Workshop on Electronic Properties of Spin-Orbit Driven Oxides
  • 発表場所: Dresden, Germany
  • 年月日: 2013-09-04 – 2013-09-07
  • 招待講演
• [学会発表] Effect of electron-phonon interactions on orbital fluctuations in iron-based superconductors (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Arita
  • 学会等名: Recent developments in Fe-based high-temperature superconductors
  • 発表場所: Riverhead, New York, USA
  • 年月日: 2013-09-03 – 2013-09-06
  • 招待講演
• [学会発表] Electron Correlation Effects on Topological Phases (2013)
  • 著者名/発表者名: Masatoshi Imada
  • 学会等名: The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES) 2013
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2013-08-05 – 2013-08-09
  • 招待講演
• [学会発表] Deveopment of density functional theory for plasmon assisted superconductivity (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Arita
  • 学会等名: The international conference on strongly correlated electron systems
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2013-08-05 – 2013-08-09
  • 招待講演
• [学会発表] Self-energy from the low to high energy scales in the correlated metal SrVO3 (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Fujimori
  • 学会等名: International Workshop on Strong Correlations and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (CORPES13)
  • 発表場所: Hamburg, Germany
  • 年月日: 2013-07-29 – 2013-07-29
  • 招待講演
• [学会発表] 第一原理計算による物性研究・スペクトルシミュレーション (2013)
  • 著者名/発表者名: 石橋章司
  • 学会等名: SPring-8 Seminar
  • 発表場所: SPring-8, 佐用町, 兵庫
  • 年月日: 2013-07-05 – 2013-07-05
  • 招待講演
• [学会発表] 第一原理材料シミュレータQMASの概要と応用例 (2013)
  • 著者名/発表者名: 石橋章司
  • 学会等名: 東大物性研理論セミナー
  • 発表場所: 東京大学柏キャンパス, 柏, 千葉
  • 年月日: 2013-06-28 – 2013-06-28
  • 招待講演
• [学会発表] 第一原理材料シミュレータQMAS の応用事例紹介 (2013)
  • 著者名/発表者名: 石橋章司
  • 学会等名: ファインセラミックスセンター材料計算セミナー
  • 発表場所: ファ インセラミックスセンター, 名古屋, 愛知
  • 年月日: 2013-06-26 – 2013-06-26
  • 招待講演
• [学会発表] Antiferromagnetic pseudogap and its suppression in electron-doped cuprates (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Fujimori
  • 学会等名: 0th International Conference on Spectroscopies in Novel Superconductors (SNS10)
  • 発表場所: Berkeley, USA
  • 年月日: 2013-06-24 – 2013-06-24
  • 招待講演
• [学会発表] Electron theory of permanent magnets (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Miyake
  • 学会等名: 7th ISSP International Workshop and Symposium, Emergent Quantum Phases in Condensed Matter from topological to first-prin ciples approaches
  • 発表場所: Kashiwa, Japan
  • 年月日: 2013-06-19 – 2013-06-19
  • 招待講演
• [学会発表] Density functional theory for plasmon assisted superconductivity (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Arita
  • 学会等名: 7th ISSP international workshop and symposium: Emergent Quantum Phases in Condensed Matter
  • 発表場所: Kashiwa, Japan
  • 年月日: 2013-06-12 – 2013-06-14
  • 招待講演
• [学会発表] Superconducting transition temperatures of alkali-doped fullerides: Insights from density functional theory for superco nductors (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Arita
  • 学会等名: Superstripes2013:Quantum in complex matter
  • 発表場所: Ischia, Italy
  • 年月日: 2013-05-27 – 2013-06-01
  • 招待講演
• [学会発表] Superconductivity in alkali-doped fullerides: Insights from density functional theory for superconductors (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Arita
  • 学会等名: Workshop on Superconductivity and Magnetism associated with Geometry and Dimensionality from Organics to Inorganics
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2013-05-16 – 2013-05-17
  • 招待講演