有機導体のディラック電子系における異常物性の統一的解明

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K05166
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 小林 晃人 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (80335009)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: ディラック電子 / 電子相関 / 有機導体 / 電荷秩序 / 強誘電性

研究実績の概要

研究の概要：有機導体のディラック電子系では実験技術の進歩により、パラドックス的異常物性が浮かび上がってきた。すなわち測定手段によりディラックコーンが有限ギャップ、または砂時計型、と全く異なって見えるのである。さらに最近ではギャップの大きさにも階層構造が見出されている。本研究では、これら事実の背後に潜むメカニズムを理論的に究明する。これにより、ディラック電子系の真の姿は何であるかという最も基本的な問題を解明し、広範な物質に展開する「ディラック電子系の固体物理」の普遍的概念の探求に貢献することを目指す。
具体的内容：本年度は有機導体のディラック電子系において、ディラック電子相と隣接する電荷秩序相の中に有限のギャップを持ったディラック電子状態が存在することを示し、ここでの光学ギャップと電気伝導ギャップか大きく異なることを示した。有機ディラック電子系の電荷秩序相には強誘電性により誘電分極が逆向きとなるドメインウォールが存在することが知られている。本研究では有限質量ディラック電子がドメインウォールに束縛されて運度すると、ドメインウォールに沿った方向に金属的な（ギャップのない）伝導チャンネルを形成することを示した。これにより、電気伝導ギャップは閉じるが、光学ギャップは直接遷移を観測するため開いたままとなることを見出した。
意義：本研究では有機導体のディラック電子系のエネルギースペクトルが、強誘電性の電荷秩序の実空間構造（ドメインウォール）により階層構造を有することを初めて明らかにした。
重要性：有機導体のディラック電子系は電子間相互作用が強く電荷秩序相と隣接するため、ディラック電子系の電子相関効果の研究に適していることを具体的に示した。本研究により得られた理論と知見は、広汎な物質で見出されるディラック電子系の電子相関効果の研究に応用できると期待される。

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

本研究課題では現在までに、ディラック電子系におけるパラドックス的異常物性が電子相関効果に起因することを明らかにしてきた。NMRにより観測される磁化率の抑制は、長距離クーロン相互作用による異方的速度繰り込みが引き起こすディラックコーンの先鋭化（砂時計型）に起因することを示した【Nat. Commun. 7, 12666 (2016)】【J. Phys. Soc. Jpn. 86, 014705 (2017)】【J. Phys. Soc. Jpn. 87, 054706 (2018)】。低温における1/T1Tの反転は、バレー間エキシトニック揺らぎの発達によることを初めて示した【Sience 358, 1403-1406 (2017)】。さらに有機導体の電荷秩序相における有限質量ディラック電子相において、光学ギャップと伝導ギャップが大きく異なることを具体的に示し、光学伝導率と直流伝導率の実験結果を矛盾なく説明できることを示した【J. Phys. Soc. Jpn. 85, 094710 (2016) 】【J. Phys. Soc. Jpn. 86, 074708 (2017)】【J. Phys. Soc. Jpn. 87, 054703 (2018)】掲載された。さらにディラック－電荷秩序相転移近傍における光学伝導率に現れる特徴的なエネルギーの階層構造を予想た【Crystals 2018, 8(3), 137】。これらの成果により。本研究は当初の計画以上に進展している。

今後の研究の推進方策

1) 東大、東北大金研、東京理科大、およびグルノーブルとの国際共同研究をさらに推進し、NMRのナイトシフトと1/T1Tの圧力依存性を電子相関効果の観点から解明する。この研究を通してディラック電子系の電子相関効果を圧力により自在に制御する。
2) 東北大金研、東邦大との共同研究により、強磁場下NMRおよび層間磁気抵抗により観測される非自明な基底状態およびベリー位相の不連続変化のメカニズムを解明する。
3) 物性研との共同研究により、ディラック電子相に隣接する質量有限のディラック電子相において、スピンギャップと光学ギャップの相違のメカニズムを強相関効果の観点から解明する。

次年度使用額が生じた理由

次年度使用額が生じた理由：当初見積もりに比べ、本年度の研究計画の遂行に必要な旅費と論文出版費を低価格に抑えることが出来たため。
使用計画：当初計画より論文出版が増える見込みのため、論文出版費に使用する計画である。

研究成果

• [国際共同研究] CNRS(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CNRS
• [雑誌論文] Field-Angle Dependence of Interlayer Magnetoresistance in Organic Dirac Electron System α-(BEDT-TTF)2I3 (2019)
  • 著者名/発表者名: Takehiro Tani, Naoya Tajima and Akito Kobayashi
  • 雑誌名: Crystals 巻: 9(4) ページ: 212-1,11
  • DOI: https://doi.org/10.3390/cryst9040212
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Coexistence of Velocity Renormalization and Ferrimagnetic Fluctuation in the Organic Dirac Electron System alpha-(BEDT-TTF)2I3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Genki Matsuno, Akito Kobayashi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 87 ページ: 054706
  • DOI: J. Phys. Soc. Jpn. 87, 054706 (2018)
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Melting of Domain Wall in Charge Ordered Dirac Electron of Organic Conductor alpha-(BEDT-TTF)2I3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Daigo Ohki, Genki Matsuno, Yukiko Omori, Akito Kobayashi
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 87 ページ: 054703
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSJ.87.054703
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optical Conductivity in a Two-Dimensional Extended Hubbard Model for an Organic Dirac Electron System α-(BEDT-TTF)2I3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Daigo Ohki, Genki Matsuno, Yukiko Omori and Akito Kobayashi
  • 雑誌名: Crystals 巻: 8(3) ページ: 137
  • DOI: https://doi.org/10.3390/cryst8030137
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 有機物質のディラックコーンにおける強相関効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 平田倫啓、鹿野田一司、松野元樹、小林晃人
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 73 ページ: 214-220
• [雑誌論文] 相互作用する2次元ワイルフェルミオンの異常なスピン相関とエキシトン不安定性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 平田倫啓、鹿野田一司、小林晃人、石川恭平、松野元樹、宮川和也、田村雅史、Claude Berthier
  • 雑誌名: サイエンス誌に載った日本人研究者/Science日本事務局 巻: 2018 ページ: 61
• [学会発表] Electron Correlation Effect in Organic Dirac Electron System under Magnetic Field (2019)
  • 著者名/発表者名: Takehiro Tani, Akito Kobayash
  • 学会等名: 新学術領域研究「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」第4回領域研究会
• [学会発表] 有機導体α-(BETS)_2_I_3_の電子状態－有限質量ディラック電子系の可能性－ (2019)
  • 著者名/発表者名: 小林晃人, 大木悟, 吉見一慶
  • 学会等名: 日本物理学会2019年年次大会
• [学会発表] 有機ディラック電子系alpha-(BEDT-TTF)_2I_3の熱電効果における電子間相互作用の効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大木大悟，大森有希子，小林晃人
  • 学会等名: 日本物理学会2019年年次大会
• [学会発表] 有機ディラック電子系におけるN=0ランダウ状態のスピン分裂とバレー分裂 (2019)
  • 著者名/発表者名: 谷雄大、小林晃人
  • 学会等名: 日本物理学会2019年年次大会
• [学会発表] 強相関ディラック電子系 α-(BEDT-TTF)2I3におけるNMR測定と理論計算による圧力効果の研究2 (2019)
  • 著者名/発表者名: 平田倫啓, 劉東, 石川恭平, 大木大悟, 小林晃人, 宮川和也, 田村雅史, 鹿野田一司
  • 学会等名: 日本物理学会2019年年次大会
• [学会発表] 分子性結晶中のディラック電子の理論研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林晃人
  • 学会等名: シンポジウム「有機系・ナノカーボン系の導電機能開発」
  • 招待講演
• [学会発表] 有機導体のディラック電子系におけるフェルミ速度のくりこみ増大とエキシトニック不安定性のNMR研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 平田倫啓, 劉東, 石川恭平,宮川 和也, 鹿野田 一司, 大木大悟, 松野元樹, 小林晃人, 田村雅史, Claude Berthier
  • 学会等名: 強磁場コラボラトリにおける物性研究の現状と展望 NMR分科会
  • 招待講演
• [学会発表] Controlling Interactions and Probing Competition of Incipient Instabilities of Correlated 2D Weyl Fermions (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Hirata, D. Liu, K. Ishikawa, K. Miygawa, K. Kanoda, M. Tamura, C. Berthier, D. Ohoki, G. Matsuno, A. Kobayashi
  • 学会等名: Conductivity and Magnetism in Molecular Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 有機物のゼロ質量ディラックフェルミオン - 核磁気共鳴によるエキシトニックスピン揺らぎと多彩な強相関効果の観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 平田倫啓, 劉東, 石川恭平,宮川 和也, 鹿野田 一司, 大木大悟, 松野元樹, 小林晃人, 田村雅史, Claude Berthier
  • 学会等名: スピン系物理の最前線
• [学会発表] Structural Phase Transition from the Metal to the Dirac Fermion State on the BEDT-TTF Triangular Lattice (2018)
  • 著者名/発表者名: Yukiko Omori, Daigo Ohki and Akito Kobayashi,
  • 学会等名: The 8th Toyota Riken International Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Resistivity and Optical Gaps in Non-Uniform Charge Order in Organic Dirac Electron System of α-(BEDT-TTF)2I3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Daigo Ohki, Yukiko Omori, Akito Kobayashi
  • 学会等名: The 8th Toyota Riken International Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Electron Correlation Effect in Massless Dirac Fermion System of Organic Conductor under Perpendicular Magnetic Field (2018)
  • 著者名/発表者名: Takehiro Tani and Akito Kobayashi
  • 学会等名: The 8th Toyota Riken International Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Excitonic Instability in the Organic Dirac Electron System α-(BEDT-TTF)2I3 (2018)
  • 著者名/発表者名: Akito Kobayashi, Daigo Ohki, Michihiro Hirata, Kazuya Miyagawa, and Kazushi Kanoda,
  • 学会等名: The 8th Toyota Riken International Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] 有機ディラック電子系α-(BEDT-TTF)_2I_3における非一様電荷秩序と輸送現象 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大木大吾、小林晃人
  • 学会等名: 有機固体若手の会 2018秋の学校
• [学会発表] Electron Correlation Effect in Massless Dirac Fermion System under Strong Magnetic Field (2018)
  • 著者名/発表者名: 谷雄大、小林晃人
  • 学会等名: 有機固体若手の会 2018秋の学校
• [学会発表] Field and pressure controlled Dirac cone renormalization and excitonic instability of interacting 2D Weyl-Dirac fermions in a-(BEDT-TTF)2I3 probed via 13C NMR (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Hirata, D. Liu, T. Taniguchi, K. Ishikawa, G. Matsuno, D. Ohki, A. Kobayashi, H. Mayaffre, K. Miyagawa, M. Tamura, S. Kramer, M. Horvati, C. Berthier, and K. Kanoda
  • 学会等名: The 12th International Conference on Research in High Magnetic Fields (RHMF 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Controlling excitonic instability of interacting 2D massless Dirac fermions in a layered organic salt (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Hirata, K. Ishikawa, G. Matsuno, A. Kobayashi, K. Miyagawa, M. Tamura, C. Berthier, D. Basko, K. Kanoda
  • 学会等名: Summit of Materials Science (SMS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Dirac cone reshaping, ferrimagnetic polarization and excitonic instability of 2D Weyl-Dirac fermions in α-(BEDT-TTF)2I3 (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Hirata, D. Liu, K. Ishikawa, K. Miygawa, K. Kanoda, M. Tamura, C. Berthier, D. Ohoki, G. Matsuno, A. Kobayashi
  • 学会等名: Conductivity and Magnetism in Molecular Materials
  • 国際学会
• [学会発表] 電荷秩序-質量ゼロディラック電子相境界における非一様電荷秩序と直流・光学伝導率 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大木大悟，大森有希子，小林晃人
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] 有機ディラック電子系における面内磁場効果の強磁場NMR研究2 (2018)
  • 著者名/発表者名: 平田倫啓, 小林；人, 田村雅史, Claude Berthier, 宮川和也, 鹿野田一司
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] 有機ディラック電子系α-(BEDT-TTF)_2_I_3_の強磁場下エキシトニック相 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林晃人, 大木大悟, 平田倫啓
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] 分子性三角格子における!LaTeX$\theta$型金属状態から!LaTeX$\alpha$型Dirac電子状態への構造相転移 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大森有希子，大木大悟，小林晃人
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] 有機ディラック電子系の電気伝導度に対する電子ー格子相互作用効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鈴村順三，小形正男，小林晃人
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [備考] 小林晃人のホームページ
  • URL: http://www.slab.phys.nagoya-u.ac.jp/akito/
• [備考] S研 凝縮系理論グループ
  • URL: http://www.s.phys.nagoya-u.ac.jp/ja
• [備考] 名古屋大学物理学教室 研究室・教員リスト
  • URL: http://www.phys.nagoya-u.ac.jp/list/HPtemplate/HPtemplate_A.Kobayashi_j.pdf