| 研究課題/領域番号 |
17H02916
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
石原 純夫 東北大学, 理学研究科, 教授 (30292262)
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| 研究分担者 |
堀田 知佐 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (50372909)
山内 邦彦 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (00602278)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 強相関電子系 / 磁性 / 光物性 / 誘電体物性 |
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| 研究実績の概要 |
「モット絶縁体を基礎とする励起子絶縁体の新しい物性」を構築することを研究の目的とする。本年度は以下の実績を上げた。
１）モット絶縁体型励起子絶縁相が実現する系として注目を集めているコバルト酸化物において、スピン転移現象と強誘電相転移が強く相関した現象がBiCoO3と同族物質において見出されている。本研究ではこの物質系の電子物性、構造物性について理論解析を行った。この物質系の大きな特徴である高温低スピン相から低温高スピン相に強誘電分極の出現を伴いながら相転移を行うことが理論計算により再現された。スピンと格子のエントロピーを詳細に解析することで、これが従来からあるスピン転移系の転移機構と定性的に異なることを見出した（雑誌投稿中）。
２）励起子絶縁相におけるスピン軌道相互作用の効果についての解析に着手した。特にバント絶縁体である低スピン相とモット絶縁体である高スピン相の間に出現する励起子絶縁体の磁気・軌道構造に対するスピン軌道相互作用の効果を二軌道ハバード模型をもとに解析した。励起子絶縁相において帯磁率が著しく増大することが見いだされ、これが励起子絶縁相の同定として利用できることを指摘した。
３）二軌道ハバードモデルにおける4次までの摂動論により スピンネマティック相互作用の起源となるbiquadratic相互作用が誘起されるプロセスを明らかにした。 さらにその強度がクーロン相互作用と遷移積分の比で表したとき５程度であることが明らかとなり、Heisenberg相互作用と同じオーダーまで強められることを示した。
４）LaCoO3を代表とするスピンクロスオーバー系では励起子絶縁相が実現する可能性が指摘されている。この物質における構造歪みとスピン状態の相関を第一原理電子状態計算により解析を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
1) 励起子絶縁相を記述できる二軌道ハバード模型において電子格子相互作用とスピン軌道相互作用を導入した模型を構築し、これらの効果を詳細に調べる理論枠組みを確立した。これにより、励起子絶縁相が強誘電相と競合的であること、ならびにスピン軌道相互作用により帯磁率が大きく増大することを新たに見出した。
2)実験グループと共同することでLaCoO3のCoイオンをScイオンで置換することで、低スピン基底状態が新たな電子相に移行することを見出した。この新規な相が励起子絶縁体相であることの可能性について、実験・理論解析を現在進めている。
3) ２軌道系における（顕なスピン軌道相互作用を考慮しない場合の）電子相関由来の誘電性が、電荷、軌道、スピンの３自由度の結合と競合によりどのように制御できるかについて一定の知見を得つつある。
4) LaCoO3の立方晶構造を元に様々な構造歪みを仮定して計算を行うことで、単斜晶歪みを与えた際に低スピン→中間スピン→高スピンとスピン状態が転移することが明らかになった。
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| 今後の研究の推進方策 |
１）コバルト酸化物を代表とする強相関スピンクロスオーバー系における励起子絶縁相の物性解析を進める。特に新たに取り入れたスピン軌道相互作用の役割に焦点を当てる。励起子絶縁相の安定性、帯磁率等の磁気応答、軌道磁気励起に及ぼす影響を解明する。実験と直接比較できる物理量を計算し、連携研究者として参加している実験グループと協力して励起子絶縁相の同定を目指す。
２）励起子絶縁相と幾何学的位相の関係について解析に着手する。強相関型励起子絶縁体においては、低スピンバンド絶縁体と高スピンモット絶縁体の間のエネルギーギャップが小さい領域で出現することが示されている。両絶縁体の中間領域ではエネルギー準位の交差が生じ、必然的に幾何学的位相(Berry位相)やトポロジカル絶縁体と深い関係があるものと予想される。本課題ではこれまで励起子絶縁体の研究を実施してきた2軌道ハバード模型の解析を幾何学的位相の視点から推進する。具体的には蜂の巣格子上の模型を設定し、電子間相互作用に対してハートリー・フォック近似を導入することでトポロジカル相の可能性や幾何学的位相の役割を調べる。
３）LaCoO3を中心としたペロブスカイト酸化物の構造歪みと電子状態およびスピン状態について包括的な理解を得るため第一原理計算を用いたシミュレーションを行う。第一原理計算の結果と有効模型による結果を比較するために、具体的な複数のｄ軌道と結晶構造を取り入れたハバード型模型をハートリー・フォック法により解析する。また大きな体積変化を伴うスピンクロスオーバー錯体と強相関型スピンクロスオーバー系との比較を行う。
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