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2016 年度 実施状況報告書

超伝導転移温度の第一原理計算:電子状態計算法の刷新と交換効果への展開

研究課題

研究課題/領域番号 15K20940
研究機関東京大学

研究代表者

明石 遼介  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40734356)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード計算物理学 / 高温超伝導
研究実績の概要

本課題では超伝導転移温度(Tc)を結晶構造から第一原理計算するための基盤手法開発を行っている.一方,初年度計画遂行中に報告があった硫化水素における高温超伝導現象(Tc=マイナス70℃)について,その重要さに鑑み,この超伝導の起源に関する研究にも力を振り分けた.

手法開発方面としては交換エネルギー項がもたらすスピンゆらぎ効果の実装および応用に携わった.交換エネルギー項は電子の一粒子状態以外にも,電子間の相互作用にも影響をもたらす.単体金属のようなほとんど一様な電子ガスに近い系では,これは強磁性ゆらぎとして超伝導ペアリングを抑制する方向に働き,Tcを下げるという理論的提案が古くからあった.我々はこの効果を定量的に検証すべく,コード実装および物質への適用を進めた.結果,一部の単体金属においてこのTc抑制効果は最大-10K程度に達することが判明した.これにより,従来手法ではTcを過大評価するバナジウム単体などのTc計算精度が向上することも分かった.本結果については論文を準備中である.

一方,昨年度より進めていた硫化水素の高温超伝導についてもその起源について重要な知見を得た.実験においては,硫化水素に高圧をかけていくと,ある圧力領域から超伝導の発現およびTcの連続的増大が見られ,最終的にTcは150K以上に達する.この過程における結晶構造の変化は実験観測の難しさもあり未解明であったが,我々はこれについて理論およびシミュレーションから有力な仮説に到達した.それは硫化水素の超伝導相には低Tc相と高Tc相が存在し,前者に圧力を印加すると両者が層状に重なり合った相(“マグネリ相”)が段階的に生成し,最終的に後者にすべて置き換わるというものである.この仮説に基づいてTc計算を行ったところ,実験のTc増大が正しく再現された.この結果はPhysical Review Letters誌に掲載済である.

現在までの達成度 (区分)
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

従来計画の一部である,交換効果がもたらす超伝導ペアリングへの影響を定量化する手法開発についても,昨年度より急遽計画に取り入れた硫化水素の高温超伝導機構の研究についてもインパクトのある成果がもたらされ,かつ成果の外部発表も順調に進んでいる.

今後の研究の推進方策

H28年度に実装した手法の応用を更に進め,その有効性を検証,成果発表を進める.同時に初年度に実施した電子状態計算を適宜組み合わせての精度向上,および交換効果がもたらす他の超伝導強化/抑制機構についても,理論開発および手法実装を進め,さらなる発展的研究の基礎を固める.

次年度使用額が生じた理由

研究推進のために購入した計算機が値下げにより当初計画より安く手に入ったため.

次年度使用額の使用計画

当初計画より成果発表の機会を増やし,繰越額を消化する.

備考

共同研究成果に関する論文が現在投稿中である.

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 5件、 招待講演 3件) 図書 (1件)

  • [国際共同研究] The University of Cambridge(United Kingdom)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      The University of Cambridge
  • [雑誌論文] "Efficient method for calculating spatially extended electronic states of large systems with a divide-and-conquer approach"2017

    • 著者名/発表者名
      S Yamada, F Shimojo, R Akashi, and S Tsuneyuki
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 95 ページ: 045106

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.045106

    • 査読あり
  • [雑誌論文] "Anisotropic superconducting gaps in YNi 2 B 2 C: A first-principles investigation"2017

    • 著者名/発表者名
      M Kawamura, R Akashi, and S Tsuneyuki
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 95 ページ: 054506

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.054506

    • 査読あり
  • [雑誌論文] "Numerical investigation of triexciton stabilization in diamond with multiple valleys and bands"2017

    • 著者名/発表者名
      H Katow, J Usukura, R Akashi, K Varga, and S Tsuneyuki
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 95 ページ: 125205

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.125205

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] "Strong Bilayer Coupling Induced by the Symmetry Breaking in the Monoclinic Phase of BiS2-Based Superconductors"2016

    • 著者名/発表者名
      M. Ochi, R. Akashi, and K. Kuroki
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 85 ページ: 094705

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.85.094705

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 'Possible “Magneli” Phases and Self-Alloying in the Superconducting Sulfur Hydride'2016

    • 著者名/発表者名
      R. Akashi, W. Sano, R. Arita, and S. Tsuneyuki
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 117 ページ: 075503

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.075503

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] "Weak phonon-mediated pairing in BiS2 superconductor from first principles"2017

    • 著者名/発表者名
      C. Morice, R. Akashi, T. Koretsune, S. S. Saxena, and R. Arita
    • 学会等名
      APS March Meeting 2017
    • 発表場所
      New Orleans (USA)
    • 年月日
      2017-03-13 – 2017-03-17
    • 国際学会
  • [学会発表] "高圧下硫化水素超伝導体におけるマグネリ相"2016

    • 著者名/発表者名
      明石遼介
    • 学会等名
      超伝導研究の最先端:多自由度、非平衡、電子相関、トポロジー
    • 発表場所
      京都大学(京都府京都市)
    • 年月日
      2016-10-10 – 2016-10-12
    • 招待講演
  • [学会発表] "高圧下硫化水素超伝導体におけるマグネリ相と低Tc-高Tc相変態"2016

    • 著者名/発表者名
      明石遼介,佐野航,有田亮太郎,常行真司
    • 学会等名
      日本物理学会 2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学(石川県金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] "First-principles study on superconducting sulfur hydride under high pressure"2016

    • 著者名/発表者名
      明石遼介
    • 学会等名
      TIA"かけはし"ポスター交流会
    • 発表場所
      エポカルつくば(茨城県つくば市)
    • 年月日
      2016-08-30 – 2016-08-30
  • [学会発表] "Possible `Magneli` phases in sulfur hydride under high pressure"2016

    • 著者名/発表者名
      R. Akashi
    • 学会等名
      The 2nd Extreme Materials Science Workshop
    • 発表場所
      理化学研究所(埼玉県和光市)
    • 年月日
      2016-08-15 – 2016-08-15
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] "General relation between interference of the Bloch phase and stacking geometry in layered materials"2016

    • 著者名/発表者名
      R. Akashi
    • 学会等名
      ATI2016 Nano Carbon Zao Meeting (Zao 16)
    • 発表場所
      たかみや瑠璃倶楽リゾート(山形県蔵王市)
    • 年月日
      2016-07-19 – 2016-07-20
    • 国際学会
  • [学会発表] "Emergent Magneli-type crystal phases and their mixture in pressurized sulfur hydride"2016

    • 著者名/発表者名
      R. Akashi, W. Sano, R. Arita, and S. Tsuneyuki
    • 学会等名
      SUPERSTRIPES2016
    • 発表場所
      Ischia (Italy)
    • 年月日
      2016-06-23 – 2016-06-29
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] "Magneli-type phases as the missing link of the low-Tc--high-Tc superconducting phases in compressed sulfur hydride"2016

    • 著者名/発表者名
      R. Akashi, M. Kawamura, W. Sano, Y. Nomura, R. Arita, and S. Tsuneyuki
    • 学会等名
      International Workshop: Towards Room Temperature Superconductivity: Hydrides and More
    • 発表場所
      Rome (Italy)
    • 年月日
      2016-05-09 – 2016-05-10
    • 国際学会
  • [図書] 固体物理 vol. 51 No. 112016

    • 著者名/発表者名
      明石遼介,是常隆,有田亮太郎,常行真司
    • 総ページ数
      21
    • 出版者
      アグネ技術センター

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公開日: 2018-01-16  

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