３次元曲面ネットワーク物質における電子物性の理論

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K05496
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 越野 幹人 大阪大学, 理学研究科, 教授 (60361797)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: グラフェン / 多孔質グラフェン / 量子ホール効果

研究実績の概要

平成30年度は３次元グラフェン及びグラフェンナノ構造に関する研究を幅広く行った。越野と桐生は3次元グラフェンの量子ホール効果の理論計算を行い、曲面上に生ずる特殊な1次元カイラルチャネルとそれがもたらす量子ホール効果を明らかにした。その結果はPhys. Rev. B誌より出版された。
また阪大の野村、羽部、東大化学の坂本とともに、新しい3次元炭素物質graphdiyineについての電子構造計算を行い、この物質が３次元トポロジカルノーダルライン半金属であることを初めて示し、Phys. Rev. Materials誌に発表した。また越野は阪大の黒木、MITのLiang Fuらのグループと共に、twisted bilayer grapheneのもたらす平坦バンドの電子構造を解析し、モアレ超格子上のワニエ軌道によって電子状態が記述されることを示し、Phys. Rev. X誌に発表した。この結果は近年発見されたtwisted bilayer grapheneにおける超伝導とも関連し、すでに70件以上の引用件数がある(Google Scholarによる)。
また韓国SKKUの実験グループとの共同研究により、30度積層のグラフェンにおける準結晶状態を発見し、電子状態の理論計算によって実験結果を説明した。結果はScience誌で発表された。この系は、2次元物質を単純に重ねることで作られる全く新しいタイプの準結晶である。

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

初年度および2年度の重要な課題であった磁場中曲面3次元電子系の電子状態・ホール効果の研究が進捗し、論文として発表された。当初の予定通り進捗している。また3次元炭素ナノ構造「graphdiyine」は当初の予想にはなかった新奇3次元物質であり、これは予想を超えた進展であった。

今後の研究の推進方策

最終年度に向けてgraphdiyineを始めとする新たな3次元炭素ナノ物質や実験でみられる3次元ランダム多孔質グラフェンの研究を進める。後者に関しては、ランダムに接続した非周期系における磁場中の電子状態を、1次元カイラルチャネルのランダムネットワークモデルとして捉えることで、電子状態および電気伝導度を解析することを目指す。

次年度使用額が生じた理由

取替を計画していたノートPCを引き続き利用したために10万円ほどの差を生じた。
次年度助成金と合わせて物品購入費として使用する計画である。

研究成果

• [国際共同研究] MIT/Columbia Univerisity/Harvard University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: MIT/Columbia Univerisity/Harvard University
• [国際共同研究] 成均館大学(SKKU)/韓国高等研究院 (KIAS)(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: 成均館大学(SKKU)/韓国高等研究院 (KIAS)
• [国際共同研究] NYU Shanghai(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: NYU Shanghai
• [雑誌論文] Quantum Hall effect in three-dimensional graphene (2019)
  • 著者名/発表者名: Toshiki Kiryu and Mikito Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 99 ページ: 85443
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.99.085443
  • 査読あり
• [雑誌論文] Twist-angle dependence of the proximity spin-orbit coupling in graphene on transition-metal dichalcogenides (2019)
  • 著者名/発表者名: Yang Li and Mikito Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 99 ページ: 75438
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.99.075438
  • 査読あり
• [雑誌論文] Maximally-localized Wannier orbitals and the extended Hubbard model for the twisted bilayer graphene (2018)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino, Noah F. Q. Yuan, Takashi Koretsune, Masayuki Ochi , Kazuhiko Kuroki, Liang Fu
  • 雑誌名: Phys. Rev. X 巻: 8 ページ: 31087
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevX.8.031087
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Interaction-induced insulating states in multilayer graphenes (2018)
  • 著者名/発表者名: Tetsuro Habe and Mikito Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 98 ページ: 125201
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.98.125201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Possible correlated insulating states in magic-angle twisted bilayer graphene under strongly competing interactions (2018)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Ochi, Mikito Koshino, Kazuhiko Kuroki
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 98 ページ: 81102
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevB.98.081102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dirac Electrons in a Dodecagonal Graphene Quasicrystal (2018)
  • 著者名/発表者名: Sung Joon Ahn, Pilkyung Moon, Tae-Hoon Kim, Hyun-Woo Kim, Ha-Chul Shin, Eun Hye Kim, Hyun Woo Cha, Se-Jong Kahng, Philip Kim, Mikito Koshino, Young-Woo Son, Cheol-Woong Yang, Joung Real Ahn
  • 雑誌名: Science 巻: 361 ページ: 782-786
  • DOI: DOI:10.1126/science.aar8412
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Band structure engineering of 2D materials using patterned dielectric super- lattices (2018)
  • 著者名/発表者名: Carlos Forsythe, Xiaodong Zhou, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Abhay Pasupathy, Pilkyung Moon, Mikito Koshino, Philip Kim and Cory R. Dean
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 13 ページ: 566-571
  • DOI: DOI:10.1038/s41565-018-0138-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Three-dimensional graphdiyne as a topological nodal-line semimetal (2018)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Nomura, Tetsuro Habe, Ryota Sakamoto, and Mikito Koshino
  • 雑誌名: Phys. Rev. Materials 巻: 2 ページ: 54204
  • DOI: DOI:10.1103/PhysRevMaterials.2.054204
  • 査読あり
• [学会発表] Physics of twisted bilayer graphenes and van der Waals heterostructures (2018)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: MIT Chez Pierre Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effective model for the twisted bilayer graphene (2018)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: The 9th A3 Symposium on Emerging Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effective theory for the flat band in the twisted bilayer graphene (2018)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: The 10th Recent Progress in Graphene and Two-dimensional Materials Research Con- ference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Physics of incommensurate 2D materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: EU-Japan Tokyo Satellite Symposium Program on 2D materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effective theory for the twisted bilayer graphene (2018)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: 19th International conference on the Sicence and Application of Nanotubes and Low- dimensional Materials (NT18)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electronic properties of incommensurate 2D crystals (2018)
  • 著者名/発表者名: Mikito Koshino
  • 学会等名: 19th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications (ISPSA 2018)
  • 国際学会 / 招待講演