トポロジーと結晶群に基づく新奇量子相の理論的研究

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K05490
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 江澤 雅彦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (10504805)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: トポロジカル物性理論 / 高次トポロジカル絶縁体 / ワイル半金属 / ディラック半金属 / ライン・ノード半金属 / フラストレート磁性体 / 強相関トポロジカル超伝導体 / マヨラナ粒子

研究実績の概要

様々な新奇なトポロジカル物質に対してトポロジーと対称性の観点からその量子物性を明らかにした。特にワイル半金属、ライン・ノード半金属、高次トポロジカル絶縁体などの近年発見されたトポロジカル相に対してそのトポロジカルな性質、バンド構造やエッジ状態を対称性の議論と強束縛近似模型を用いて明らかにした。まず、任意のホップ数を持つ絡み合ったライン・ノードを持つ半金属を一般的に構成した。更に、交差したライン・ノードを持つ半金属に光照射した場合をフロッケ理論を用いて解析し、１より大きい運動量空間での単極子を持つワイル半金属を生成できる事を示した。また、二次や三次の分散を持つディラック半金属で磁場の向きを制御する事で、運動量空間での単極子の合成、分離を実現できる事を示した。一次元と二次元の強く相互作用しているトポロジカル超伝導体に対して厳密解を構成した。特に二次元ハニカム格子上のf波超伝導体にハバード相互作用が入った模型に対してマヨラナ粒子表示を用いる事で厳密解を構成し、ハバード相互作用によって自発的な時間反転対称性の破れが起きる事を示した。また、一次元の二量体化したp波キタエフ・トポロジカル超伝導体に対して、ジョルダン・ウィグナー変換、スピン回転、逆ジョルダン・ウィグナー変換を連続して行う事により厳密解を構成し、そのトポロジカル相図を決定した。特に相互作用に対してトポロジカル超伝導相が極めて安定である事を示した。更にbreathingカゴメ格子とbreathingパイロクロア格子で二次トポロジカル絶縁体と三次トポロジカル絶縁体が実現する事を示し、トポロジカル・コーナー状態が現れる事を明らかにした。フラストレート磁性体中でのスカーミオンのダイナミクスを大規模シミュレーションによって明らかにし、磁気メモリとして応用できる事を示した。

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

研究計画当初に想定していなかった様々な新概念の発見により、計画以上の研究成果を得る事が出来た。

今後の研究の推進方策

様々な高次トポロジカル絶縁体・超伝導体・半金属に対してそのトポロジカル・ヒンジ状態、トポロジカル・コーナー状態を明らかにする。また、新たな強相関トポロジカル超伝導体やキタエフ量子スピン液体に対する厳密解を構成する。

研究成果

• [国際共同研究] Swiss Light Source(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: Swiss Light Source
• [国際共同研究] Aix-Marseille Univ(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Aix-Marseille Univ
• [国際共同研究] Consiglio Nazionale delle Ricerche(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Consiglio Nazionale delle Ricerche
• [国際共同研究] Technische Universit Chemnitz(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Technische Universit Chemnitz
• [国際共同研究] Instituto de Ciencia(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: Instituto de Ciencia
• [雑誌論文] Dynamics of a magnetic skyrmionium driven by spin waves (2018)
  • 著者名/発表者名: Sai Li, Jing Xia, Xichao Zhang, Motohiko Ezawa, Wang Kang, Xiaoxi Liu, Yan Zhou, Weisheng Zhao
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 112 ページ: 142404
  • DOI: 10.1063/1.5026632
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] M. Ezawa, <I>Higher-order topological insulators and semimetals on the breathing Kagome and pyrochlore lattices (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Ezawa
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 120 ページ: 026801
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.026801
  • 査読あり
• [雑誌論文] Deterministic creation and deletion of a single magnetic skyrmion observed by direct time-resolved X-ray microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Seonghoon Woo, Kyung Mee Song, Xichao Zhang, Motohiko Ezawa, Yan Zhou, Xiaoxi Liu, Markus Weigand, Jun Woo Choi, Byoung-Chul Min, Hyun Cheol Koo, Joonyeon Chang
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 ページ: 950
  • DOI: 10.1038/s41467-018-03378-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Creation, transport and detection of imprinted magnetic solitons stabilized by spin-polarized current (2018)
  • 著者名/発表者名: Loreto R.P.、Moura-Melo W.A.、Pereira A.R.、Zhang X.、Zhou Y.、Ezawa M.、de Araujo C.I.L.
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 巻: 455 ページ: 25～31
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.04.074
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fundamentals and functionalities of silicene, germanene, and stanene (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Ezawa, E. Salomon, P. De Padova, D. Solonenko, P. Vogt, M. E. Davila, A. Molle, T. Angot, G. Le Lay
  • 雑誌名: La Rivista del Nuovo Cimento 巻: 3 ページ: 175-224
  • DOI: 10.1393/ncr/i2018-10145-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exact solutions and topological phase diagram in interacting dimerized Kitaev topological superconductors (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Ezawa
  • 雑誌名: Phys. Rev. B Rapid Communications 巻: 96 ページ: 121105(R)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.121105
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonlinear spin current generation in noncentrosymmetric spin-orbit coupled systems (2017)
  • 著者名/発表者名: Keita Hamamoto, Motohiko Ezawa, Kun Woo Kim, Takahiro Morimoto, and Naoto Nagaosa
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 ページ: 224430
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.224430
  • 査読あり
• [雑誌論文] Merging of momentum-space monopoles by controlling Zeeman field: From cubic-Dirac to triple-Weyl fermion systems (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Ezawa
  • 雑誌名: Phys. Rev. B Rapid Communications 巻: 96 ページ: 161202(R)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.161202
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoinduced topological phase transition from a crossing-line nodal semimetal to a multiple-Weyl semimetal (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Ezawa
  • 雑誌名: Phys. Rev. B Rapid Communications 巻: 96 ページ: 041205(R)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.041205
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topological semimetals carrying arbitrary Hopf numbers: Fermi surface topologies of a Hopf link, Solomon's knot, trefoil knot, and other linked nodal varieties (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Ezawa
  • 雑誌名: Phys. Rev. B Rapid Communications 巻: 96 ページ: 041202
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.041202
  • 査読あり
• [雑誌論文] Triplet Fermions and Dirac Fermions in Borophene (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Ezawa
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 96 ページ: 035425
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.035425
  • 査読あり
• [雑誌論文] Skyrmion dynamics in a frustrated ferromagnetic film?and current-induced helicity locking-unlocking transition (2017)
  • 著者名/発表者名: Zhang Xichao、Xia Jing、Zhou Yan、Liu Xiaoxi、Zhang Han、Ezawa Motohiko
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 ページ: 1717
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01785-w
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chiral anomaly enhancement in multi-band touching fermion systems (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Ezawa
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 95 ページ: 205201
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.205201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonreciprocal charge transport in noncentrosymmetric superconductors (2017)
  • 著者名/発表者名: Wakatsuki Ryohei、Saito Yu、Hoshino Shintaro、Itahashi Yuki M.、Ideue Toshiya、Ezawa Motohiko、Iwasa Yoshihiro、Nagaosa Naoto
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 3 ページ: e1602390
  • DOI: 10.1126/sciadv.1602390
  • 査読あり
• [学会発表] トポロジカル物質科学と表面科学の最前線：高次トポロジカル絶縁体 (2018)
  • 著者名/発表者名: 江澤 雅彦
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
  • 招待講演