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2020 年度 実施状況報告書

励起子凝縮が創出する新奇量子相理論の新展開

研究課題

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 – 2022-03-31
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

令和2年度は、特に次の研究成果を得た。
(1) スピン1重項励起子系であるTa2NiSe5の励起子凝縮相が強結合励起子系であるという提案を検証するため、1次元拡張Falicov-Kimball模型の相転移温度以上における電子状態をクラスター平均場理論により解析した。光学伝導度スペクトルの温度依存性の計算結果から、転移温度より遥か高温から励起子形成に伴う異常なピーク構造が現れ、温度の降下と共にスペクトルが下方にシフトし、転移温度以下での大きなピークに成長するという実験結果をよく再現することが分かった。また、1粒子状態密度にも擬ギャップ的な構造が観測されることを明らかにした。この成果は学術論文として出版し、日本物理学会で発表した。
(2) キャリアドープされたスピン3重項励起子磁性体において、励起子凝縮が起これば純スピン流の生成が可能であることを、2次元2軌道ハバード模型の平均場近似と線形応答理論による解析から明らかにした。これは、スピン軌道相互作用なしに電子相関効果だけから純スピン流の生成が可能であることを理論的に示したものであり、その意義は極めて大きく、実験的な検証が期待される。この成果は学術論文として出版し、日本物理学会でも発表した。
(3) 1次元引力型ハバード模型に対して時間依存する周期的な外場を印加することにより、模型に内在する超伝導相と電荷密度波相の出現をコントロールできることを、時間発展ランチョス法により明らかにした。また、フロケ理論により上記の結果が理解できることを明らかにした。この結果は学術論文として出版し、日本物理学会でも発表した。
(4) 実験家グループとの共同研究により、関連する強相関物質の電子状態と相転移に関する研究を進めた。成果は2件の学術論文として出版された。
(5) 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)
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。
令和2年度は、(1) 1次元拡張Falicov-Kimball模型の相転移温度以上における電子状態のクラスター平均場理論による解析、(2) キャリアドープされたスピン3重項励起子磁性体における励起子凝縮による純スピン流の生成に関する研究、(3) 1次元引力型ハバード模型への時間依存する周期的外場の印加による超伝導相と電荷密度波相のコントロール可能性の研究、(4) 関連する強相関電子系物質の電子状態と相転移に関する実験家グループとの共同研究、等を重点的に行った。そして、6件の学術論文を出版し、国内外で開催される学会・研究会等で多数の研究発表を行った。
しかしながら、新型コロナウィルス感染症の予期せぬ拡大のため、研究活動が様々な側面において抑制され、また学内業務において発生する様々な困難の解決に従事した結果、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、ルテニウム酸化物系等で見られる様々な相転移の起源、特にその励起子磁性との関連の研究が予想以上に難しく、その進展が遅れているという状況にある。これを挽回するため、事業期間の更なる延長申請を行い、それが認められた。次年度は、「8.今後の研究の推進方策」に従って、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研究課題を順次実行に移した。しかしながら、新型コロナウィルスの予期せぬ感染拡大のため、研究課題の遂行は順調には進まなかったので、研究期間を更に1年延長した。令和3年度は、下記の研究課題を順次実行に移し、本研究計画の全体を完結させる。
(1) 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:Ca2RuO4における集団励起構造を3軌道ハバード模型の平均場近似と乱雑位相近似により計算し、非弾性中性子散乱実験の結果を説明する。また共鳴非弾性X線散乱実験の励起スペクトルを解析する。主な計算は既に完了しており、米国物理学会で発表した。現在は学術論文の執筆中である。この系および関連物質は、極めて多彩な現象を示すことが知られており、その解明を更に進める計画である。
(2) 励起子凝縮が導く新奇量子相理論の更なる展開:強結合励起子系として知られるTa2NiSe5について、実験家グループとの共同研究として逆光電子分光実験の解析を行い、非占有バンドの特異性に関する考察を進める。
(3) 時間依存ランチョス法を用いた拡張ハバード模型の解析から、光誘起によるd波超伝導の実現を提案する。
(4) 時間依存平均場近似を用いて励起子絶縁体における非線形光学応答の理論的研究を展開する。
(5) 今年度(最終年度)に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更なる展開を計画する。

次年度使用額が生じた理由

今年度は、新型コロナウィルス感染症の予期せぬ拡大のため、研究活動が様々な側面において抑制され、また学内業務において発生する様々な困難の解決に従事した結果、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、ルテニウム酸化物系等で見られる様々な相転移の起源、特にその励起子磁性との関連の研究が予想以上に難しく、その進展が遅れているという状況にある。これを挽回するため、事業期間の更なる延長申請を行い、それが認められた。これが次年度使用額が生じた理由である。従って次年度(最終年度)は、「8.今後の研究の推進方策」に記載した不足分の研究を重点的に実施し、この差額分を全額執行する計画である。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 2件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] IFW-Dresden/TU-Dresden/Univ. Greifswald(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      IFW-Dresden/TU-Dresden/Univ. Greifswald
  • [国際共同研究] Columbia Univ.(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Columbia Univ.
  • [雑誌論文] Slow dynamics of disordered zigzag chain molecules in layered LiVS2 under electron irradiation2021

    • 著者名/発表者名
      Katayama Naoyuki、Kojima Keita、Yamaguchi Tomoki、Hattori Sosuke、Tamura Shinya、Ohara Koji、Kobayashi Shintaro、Sugimoto Koudai、Ohta Yukinori、Saitoh Koh、Sawa Hiroshi
    • 雑誌名

      npj Quantum Materials

      巻: 6 ページ: 16/1-7

    • DOI

      10.1038/s41535-021-00313-w

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Light-induced switching of magnetic order in the anisotropic triangular-lattice Hubbard model2021

    • 著者名/発表者名
      Hayato Kobayashi, Ryo Fujiuchi, Koudai Sugimoto, Yukinori Ohta
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 103 ページ: L161106/1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.103.L161106

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Finite-Temperature Properties of Excitonic Condensation in the Extended Falicov-Kimball Model: Cluster Mean-Field-Theory Approach2020

    • 著者名/発表者名
      Kadosawa Masahiro、Nishimoto Satoshi、Sugimoto Koudai、Ohta Yukinori
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 89 ページ: 053706~053706

    • DOI

      10.7566/JPSJ.89.053706

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Emergence of pure spin current in doped excitonic magnets2020

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Shunsuke、Sugimoto Koudai、Ohta Yukinori
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 101 ページ: 174428/1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.174428

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Superconductivity and charge density wave under a time-dependent periodic field in the one-dimensional attractive Hubbard model2020

    • 著者名/発表者名
      Fujiuchi Ryo、Kaneko Tatsuya、Sugimoto Koudai、Yunoki Seiji、Ohta Yukinori
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 101 ページ: 235122/1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.235122

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Robust atomic orbital in the cluster magnet LiMoO22020

    • 著者名/発表者名
      Katayama N.、Takeda H.、Yamaguchi T.、Yamada Y.、Iida K.、Takigawa M.、Ohta Y.、Sawa H.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 102 ページ: 081106(R)/1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.102.081106

    • 査読あり
  • [学会発表] 拡張ハバード模型における光誘起d波超伝導相関2021

    • 著者名/発表者名
      鵜殿美奈, 藤内亮, 杉本高大, 太田幸則
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] 時間依存平均場近似を用いた励起子絶縁体における非線形光学応答の理論的研究2021

    • 著者名/発表者名
      田辺哲寛, 金子竜也, 杉本高大, 太田幸則
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] 励起子磁性体Ca2RuO4の集団励起モードの理論2021

    • 著者名/発表者名
      山本峻介, 杉本高大, 太田幸則
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] 密度行列繰込み群法における二次元格子系の拡張一次元格子系へのマッピングとサイズ外挿2021

    • 著者名/発表者名
      廉澤誠大, 太田幸則, 中村正明, 西本理
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
  • [学会発表] Mean-field analysis of collective-mode excitations in excitonic magnet Ca2RuO42020

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Yamamoto, Koudai Sugimoto, Yukinori Ohta
    • 学会等名
      APS March Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] 低エネルギー逆光電子分光によるTa2NiSe5の伝導帯の直接観測2020

    • 著者名/発表者名
      川村啓太, 佐藤晴輝, 折尾響, 杉本高大, 太田幸則, 大槻太毅, 吉田鉄平, 丸岡うらら, 中埜彰俊, 寺崎一郎, 吉田弘幸
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [学会発表] 拡張Falicov-Kimball模型における励起子凝縮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2020年秋季大会
  • [学会発表] ドープされた励起子磁性相における純スピン流生成2020

    • 著者名/発表者名
      山本峻介, 杉本高大, 太田幸則
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [学会発表] ジグザグハイゼンベルグ鎖における非対称フラストレーション効果の研究2020

    • 著者名/発表者名
      山口伴紀, Stefan-Ludwig Drechsler, 太田幸則, 西本理
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [備考] 千葉大学強相関電子系理論研究室(太田研究室)ホームページ

    • URL

      http://physics.s.chiba-u.ac.jp/ohtal/

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公開日: 2021-12-27  

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