励起子凝縮が創出する新奇量子相理論の新展開

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K05530
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 太田 幸則 千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (70168954)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 物性理論 / 強相関電子系 / 励起子凝縮 / 励起子絶縁体 / 遷移金属化合物

研究実績の概要

平成31年度は、特に次の研究成果を得た。
(1) 時間依存厳密対角化の方法を用いて、拡張Falicov-Kimball模型における励起子絶縁体状態の光励起状態について研究した。特に、パルス光の照射が光励起状態におけるバンド間電子-電子対相関を引き起こすこと、しかし一方で初期基底状態における電子-正孔対相関（励起子相関）は強く抑制されることを示した。これは、本質的には先行研究で明らかにされた斥力ハバード模型における光励起ηペアリングと類似のものである。この成果は学術論文として出版された。
(2) 強相関電子系の有限温度での状態を効率的に計算するため、熱的純粋量子状態の方法に基づいて変分クラスター近似の手法を開発し、これをハバード模型の熱力学的性質の計算に応用した。そして、1粒子スペクトル、エントロピーと比熱、反強磁性秩序パラメータの温度依存性が極めて効率的に計算できることを示した。これにより強相関電子系の有限温度電子状態を計算するパワフルな方法が開発された。この成果は学術論文として出版された。
(3) J1-J2 Heisenberg ladder 系について、密度行列繰込み群に基づいた計算を行い、Δチェインとジグザグ鎖を結ぶ相図を明らかにした。この成果は学術論文として出版された。
(4) 関連物質であるSr7Re4O19やRuPの電子相転移、およおび高圧下のSr2CrO4の相転移に関し、第一原理計算の手法を用いた理論解析を通してその起源を解明し、実験グループとの共著論文として出版した。
(5) 得られた研究成果を学術論文として出版し、国内外で開催される学会・国際会議等で発表し、広く世界に公表した。そして、現時点で未完成の研究を再考し、本研究の更なる展開の方向性を模索した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本申請計画では、いま爆発的な展開の時代を迎えている相関電子系における励起子凝縮に関する研究を、基礎理論の構築から現実の物質に関する定量的な研究に至るまで、幅広く展開し、励起子凝縮が創出する新奇量子相研究に、開拓的な新展開をもたらす。すなわち、計画の３年間で、スピン一重項励起子系、スピン三重項励起子系、スピン軌道相互作用系の３項目の研究に総合的に取り組み、超伝導と並ぶフェルミオン系の対凝縮機構の学理を深化させるという予定であった。
平成31年度は、(1) 光励起による励起子凝縮状態の抑制と増進に関する理論的研究、(2) preformed exciton相を含む励起子絶縁体の有限温度での振る舞いを調べるための計算手法の開発、(3)関連する物質の特異な電子状態の解明、等を重点的に行った。そして、6件の学術論文を出版し、国内で開催される学会・研究会等で多数の研究発表を行い、国際会議で広く世界に公表した。
しかしながら、研究代表者が学科長等の学内業務に従事せざるを得ず極めて多忙となったため、研究課題の遂行に十分な時間を割くことができない時期があった。それに加えて、イリジウム酸化物系やルテニウム酸化物系等で見られるスピン軌道相互作用の効果が重要となるスピン三重項励起子系の研究、特にそれらに関する励起子磁性の研究が予想以上に難しく、その進展がやや遅れているという状況にある。これを挽回するため、事業期間の延長申請を行い、認められた。従って次年度は、これら不足分の研究を重点的に実施する。

今後の研究の推進方策

本研究は、代表者に加えて、強く連携する研究者４名、海外の研究協力者４名、国内の研究協力者６名、計１４名の連携により推進される。役割分担を決め、実験グループとも連携する。令和2年度は、当初3年間で計画していた研究を1年延長することにより、これまで十分研究が進まなかった次の各課題を、順次（必要に応じて同時並行的に）実行に移す。
(1) 励起子凝縮が導く新奇量子相理論の更なる展開：・強結合励起子系の特異な有限温度量子状態をクラスター平均場理論や変分クラスター近似を用いて研究し、プリフォームド・ペア状態に関する知見を獲得する。・励起子凝縮が導く多極子秩序状態の観測のため、中性子非弾性散乱(INS)や共鳴非弾性X線散乱実験(RIXS)、および角度分解電子線エネルギー損失分光(M-EELS)による実験方法を提案する。・励起子凝縮相における位相の非固定化と超流動状態の実現可能性を検討する。
(2) スピン軌道相互作用系における励起子凝縮理論の新展開：・励起子磁性１：二重ぺロブスカイト型イリジウム酸化物の奇妙な低温磁気秩序状態における励起子凝縮の役割を検証し、これに関する論争に決着を付ける。・励起子磁性２：Ca2RuO4 の電子状態を再検討し励起子磁性の可能性を解明する。・励起子磁性３：励起子強磁性の発現可能性を再検討し候補物質を探索する。
(3) 関連する新現象・新物質への理論の展開と今後の実験への提案：・関連する新物質・新現象の発見に理論的観点から即対応し、更なる実験への提案を行う。
(4) 成果の公表と更なる課題の検討：・得られた研究成果を学術論文として出版する。また国内で開催される学会・研究会等で発表し、国際会議で広く世界に公表する。その議論を基に今後の研究への展開を計画する。

次年度使用額が生じた理由

研究代表者が学科長等の学内業務に従事せざるを得ず業務多忙となったため、研究課題の遂行に十分な時間を割くことができない時期があった。それに加えて、イリジウム酸化物系やルテニウム酸化物系等で見られるスピン軌道相互作用の効果が重要となるスピン三重項励起子系の研究、特にそれらに関する励起子磁性の研究が予想以上に難しく、その進展がやや遅れているという状況にあった。これを挽回するため事業期間を延長したため、次年度使用額が生じた。この差額は、「８．今後の研究の推進方策」に記載した研究の遂行に使用される。

研究成果

• [国際共同研究] IFW-Dresden/TU-Dresden(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: IFW-Dresden/TU-Dresden
• [国際共同研究] Sapienza University of Rome(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Sapienza University of Rome
• [雑誌論文] Typicality-Based Variational Cluster Approach to Thermodynamic Properties of the Hubbard Model (2020)
  • 著者名/発表者名: Hisao Nishida、Ryo Fujiuchi、Koudai Sugimoto、Yukinori Ohta
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 ページ: 023702/1-4
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSJ.89.023702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Variety of order-by-disorder phases in the asymmetric J1-J2 zigzag ladder: From the delta chain to the J1-J2 chain (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Yamaguchi、Stefan-Ludwig Drechsler、Yukinori Ohtai、Satoshi Nishimoto
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 ページ: 104407/1-18
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.104407
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of a Novel Phase Transition in Sr7Re4O19 (2020)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Ueda, Mina Murase, Yoshiaki Kobayashi, Masayuki Itoh, Takeshi Yajima, Tomoki Yamaguchi, Ryo Takahashi, Koudai Sugimoto, Yukinori Ohta
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 ページ: 054703/1-5
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSJ.89.054703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of metal to nonmagnetic insulator transition in polycrystalline RuP by photoemission spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Daiki Ootsuki, Kei Sawada, Hiroki Goto, Daigorou Hirai, Daisuke Shibata, Masato Kawamoto, Akira Yasui, Eiji Ikenaga, Masashi Arita, Hirofumi Namatame, Masaki Taniguchi, Tatsuya Toriyama, Takehisa Konishi, Yukinori Ohta, Naurang L. Saini, Teppei Yoshida, Takashi Mizokawa, Hidenori Takagi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 ページ: 165113/1-6
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.165113
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pressure-Induced Restoration of the Reversed Crystal-Field Splitting in α-Sr2CrO4 (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryo Takahashi、Tomoki Yamaguchi、Koudai Sugimoto、Touru Yamauchi、Hiroya Sakurai、Yukinori Ohta
  • 雑誌名: JPS Conference Proceedings 巻: 30 ページ: 011026/1-4
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSCP.30.011026
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoinduced electron-electron pairing in the extended Falicov-Kimball model (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryo Fujiuchi、Tatsuya Kaneko、Yukinori Ohta、Seiji Yunoki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 ページ: 045121/1-14
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.045121
  • 査読あり
• [学会発表] Cluster mean-field analysis of the finite-temperature properties of the one-dimensional extended Falicov-Kimball model (2020)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Kadosawa, Satoshi Nishimoto, Koudai Sugimoto, Yukinori Ohta
  • 学会等名: APS March Meeting (virtual meeting)
  • 国際学会
• [学会発表] Global Spin Current in Excitonic Phases of the Two-Band Hubbard Model (2020)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Yamamoto, Hisao Nishida, Koudai Sugimoto, Yukinori Ohta
  • 学会等名: APS March Meeting (virtual meeting)
  • 国際学会
• [学会発表] 1次元拡張Falicov-Kimball模型の有限温度クラスター平均場理論 (2020)
  • 著者名/発表者名: 廉澤誠大, 西本理, 杉本高大, 太田幸則
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] 2軌道ハバード模型の励起子相におけるグローバルスピン流 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山本峻介, 西田尚央, 杉本高大, 太田幸則
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] d-p模型によるTa2NiSe5の励起子絶縁体転移 II (2020)
  • 著者名/発表者名: 杉本高大, 太田幸則
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] The light-induced pairing of electrons in the extended Falicov-Kimball model (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryo Fujiuchi
  • 学会等名: New Generation in Strongly Correlated Electron Systems (NGSCES 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Strong Coupling Nature of the Excitonic Insulator State in Ta2NiSe5 (2019)
  • 著者名/発表者名: Koudai Sugimoto
  • 学会等名: New Generation in Strongly Correlated Electron Systems (NGSCES 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Light-induced pairing correlations in the extended Falicov-Kimball model (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryo Fujiuchi
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Pressure-Induced Restoration of the Reversed Crystal-Field Splitting in α-Sr2CrO4 (2019)
  • 著者名/発表者名: Yukinori Ohta
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Tricriticality in the dimerized spin-1 XXZ chain (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Yamaguchi
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Theoretical perspectives on an excitonic insulator Ta2NiSe5 (2019)
  • 著者名/発表者名: Yukinori Ohta
  • 学会等名: CCQ Quantum Cavities and Excitonic Insulators Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 異方的三角格子ハバード模型におけるスピン秩序の光誘起相転移 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小林颯人, 藤内亮, 杉本高大, 太田幸則
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 外場印加による引力Hubbard模型の超伝導-電荷密度波相制御の理論 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤内亮, 金子竜也, 杉本高大, 太田幸則
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] LiVS2のS-Se置換による短距離秩序構造の変化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小島慶太, 山口伴紀, 塩見学, 片山尚幸, 太田幸則, 澤博
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] J1-J2鎖の非対称J2相互作用によるフェリ磁性－非整合周期SDW転移 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山口伴紀, 西本理, 太田幸則
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [備考] 千葉大学大学院理学研究院物理学研究部門強相関電子系理論研究室ホームページ
  • URL: http://physics.s.chiba-u.ac.jp/ohtal/