多軌道高次多体効果による新規複合揺らぎ理論

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K05543
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 大成 誠一郎 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (80402535)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 軌道秩序 / 鉄系超伝導体

研究実績の概要

単純な２次元２軌道系において、バーテックス補正により生じる軌道揺らぎ・スピン揺らぎ間の結合効果や高温超伝導発現機構の詳細を以下のように研究した。
・軌道揺らぎ・スピン揺らぎ間の結合効果及び高温超伝導発現メカニズムの解明
典型的な多軌道強相関電子系である鉄系超伝導体において、電子系が非磁性のまま回転対称性を破る相転移（斜方晶構造相転移）が実現し、液晶の言葉を借りて「電子ネマティック状態」と呼ばれている。相図より電子ネマティック状態は「高温超伝導の母状態」であり、その正体解明が、鉄系超伝導体における最重要課題の一つとなった。しかしながら、電子ネマティック状態は従来の平均場近似レベルの理論では、全く説明出来ないという重大な困難があった。そこで我々は、鉄系超伝導体において、自己無撞着バーテックス補正(SC-VC)理論のバーテックス補正によりスピン揺らぎ・軌道揺らぎ間の結合効果が現れ、伝導を担う鉄のdxz軌道とdyz軌道が非等価となる軌道秩序が現れることを明らかとした。この「軌道秩序」に起因する回転対称性の自発的破れにより、電子ネマティック状態が自然に説明される。しかし、最も簡単な多軌道系である2次元2軌道モデルで軌道秩序が出現するかどうかは、まだ理解されていない。そこで、SC-VC理論により2次元2軌道系における網羅的に計算を行った。
結果として、鉄系超伝導体の2軌道モデルにおいても第一原理計算から得られた5軌道モデル同様の軌道秩序（揺らぎ）が得られることが明らかになった。更に、ホールドープ系においては通常の軌道秩序が45°回転した新しいタイプの軌道秩序が発現する可能性があることも分かった。

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

平成２９年度の研究計画通りに研究が進んでおり、順調である。この研究成果について論文発表や学会発表を行った。

今後の研究の推進方策

バーテックス補正による軌道揺らぎ・スピン揺らぎ・電荷揺らぎ間の結合効果を研究することにより、新規な複合揺らぎ理論を構築する。
・新規複合揺らぎ理論の構築
下図のようにSC-VC理論を拡張することで、スピン揺らぎと軌道揺らぎの協力効果だけではなく、新たに電荷揺らぎの協力効果まで導入した複合揺らぎ理論の構築を目指す。SC-VC理論の最適条件周辺で電荷揺らぎの効果を取り込むことにより、新たな協力効果である複合揺らぎ効果が現れると期待している。一般的に長距離クーロン相互作用をハミルトニアンに導入することで、電荷揺らぎが増大することが知られているため、バーテックス補
正のファインマンダイアグラムを長距離クーロン相互作用を含む形に拡張し、複合揺らぎ効果を研究する。具体的には2次元2軌道系において拡張ハバードモデルを用いて、既約感受率のバーテックス補正とスピン揺らぎ、軌道揺らぎ、電荷揺らぎを自己無撞着に求めることで、複合揺らぎによる常伝導状態の新規物理現象を導く。更に線形化されたエリアシュベルグ方程式を利用することで複合揺らぎに媒介される新規超伝導状態を計算し、超伝導ギャップ関数を解明する。その際、通常使用されている狭義のエリアシュベルグ方程式では異常自己エネルギーに対するバーテックス補正を無視しているため、バーテックス補正を含むように狭義のエリアシュベルグ方程式を拡張する。これにより、常伝導状態と超伝導状態で統一された枠組みのバーテックス補正及び複合揺らぎ理論を構築することが出来る。複合揺らぎにより、新規高温超伝導発現機構を解明し、新規高温超伝導体発見の指針を与えたい。

次年度使用額が生じた理由

異動を控えていたため大型計算機を次年度に購入することに変更した。

研究成果

• [雑誌論文] Orbital Order in Two-Orbital Hubbard Model (2018)
  • 著者名/発表者名: Kojiro Honkawa, Seiichiro Onari
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 87 ページ: 034703_1-5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.87.034703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-polarized local density of states in the vortex state of helical p-wave superconductors (2017)
  • 著者名/発表者名: Kenta K. Tanaka, Masanori Ichioka, Seiichiro Onari
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 95 ページ: 134502_1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.95.134502
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic structures and spin states of BaFe2As2 and SrFe2As2 probed by x-ray emission spectroscopy at Fe and As K-absorption edges (2017)
  • 著者名/発表者名: Hitoshi Yamaoka, Yoshiya Yamamoto, Jung-Fu Lin, Junjie J. Wu, Xiancheng Wang, Changqing Jin, Masahiro Yoshida, Seiichiro Onari, Shigeyuki Ishida Yoshinori Tsuchiya, Nao Takeshita, Nozomu Hiraoka, Hirofumi Ishii, Ku-Ding Tsuei, Paul Chow, Yuming Xiao, Jun'ichiro Mizuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 085129_1-12
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.085129
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pair breaking of multigap superconductivity under parallel magnetic fields in the electric-field-induced surface metallic state (2017)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Nabeta, Kenta K. Tanaka, Seiichiro Onari, Masanori Ichioka
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 094522_1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.094522
  • 査読あり
• [雑誌論文] In-plane anisotropy of transport coefficients in electronic nematic states: Universal origin of nematicity in Fe-based superconductors (2017)
  • 著者名/発表者名: Seiichiro Onari and Hiroshi Kontani
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 ページ: 094527_1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.96.094527
  • 査読あり
• [学会発表] FeSeのネマティック状態で誘起される新規な軌道秩序状態 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大成誠一郎、 紺谷浩
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 2軌道ハバードモデルにおける軌道秩序および超伝導状態 (2017)
  • 著者名/発表者名: 本川昂次朗、大成誠一郎
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 鉄系超伝導体におけるネマティック電荷ボンド秩序の理論 (2017)
  • 著者名/発表者名: 紺谷浩、大成誠一郎、山川洋一
  • 学会等名: 日本物理学会