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2023 年度 実績報告書

格子自由度と結合した2次元強相関ディラック電子系における絶縁相の探索

研究課題

研究課題/領域番号 18K03475
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

大塚 雄一  国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 技師 (30390652)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2024-03-31
キーワード物性理論 / 強相関電子系 / 量子モンテカルロ法 / グラフェン / 電子格子相互作用 / Valence Bond Solid
研究実績の概要

グラフェンは優れた導電性を持つ物質であるが、さらに何らかの制御によってギャップを導入することが可能になれば、応用価値はますます広がるものと期待される。グラフェンの模型である2次元ディラック電子系では、電子間斥力によりモット絶縁体転移が起こるため、実験的にはグラフェンを伸長することで電子間相互作用を制御し、絶縁体化させる試みが行われている。最近、この実験に対応した第一原理量子モンテカルロ計算が行われ、モット絶縁相の隣にパイエルス絶縁相が存在すると報告された[PRL 121, 066402 (2018)]。
本研究では、第一原理計算とは相補的なアプローチとして、格子模型に基づく計算でパイエルス絶縁相の可能性を検証した。グラフェンに対応してハニカム格子上でのハバード模型を考え、Peierls型の電子格子相互作用を考慮した。通常、このような設定では格子変位の空間的なパターンが無数にあるため、最も安定な格子構造を探すことは簡単ではない。それに対し、FrankとLiebは対称性に基づく議論により、ハニカム格子の場合は自由エネルギーが最小となる格子構造は、最大でもユニットセルに6つの格子点を持つ場合に限られることを示した[PRL 107, 066801 (2011)]。
そこで、本研究では、ハニカム格子で許される格子変位のパターンを全て考慮した上で、最も安定な構造を数値的に決定した。計算手法は補助場量子モンテカルロ法を用い、格子自由度に関しては断熱近似による簡単化を行った。得られた有限温度相図からは、半金属相と反強磁性モット絶縁体の間にケクレ型の歪みを持つVBS相が存在することが明らかとなった。この結果は第一原理計算の結果と整合的であり、実験的には負圧印加によりVBS相が誘起される可能性を示唆するものである[PRB 109, 115131 (2024)]。

  • 研究成果

    (4件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Kekule valence bond order in the Hubbard model on the honeycomb lattice with possible lattice distortions for graphene2024

    • 著者名/発表者名
      Otsuka Yuichi、Yunoki Seiji
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 109 ページ: 115131/1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.109.115131

    • 査読あり
  • [学会発表] 負圧化グラフェンにおけるケクレ型 VBS 転移2024

    • 著者名/発表者名
      大塚雄一, 柚木清司
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
  • [学会発表] QMC study of Hubbard models with Dirac dispersion2023

    • 著者名/発表者名
      Yuichi Otsuka
    • 学会等名
      Workshop on Quantum Monte Carlo Methods at Work for Describing Novel States of Matter
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Kekule valence bond order in the Hubbard model on the honeycomb lattice2023

    • 著者名/発表者名
      Yuichi Otsuka
    • 学会等名
      34th IUPAP Conference on Computational Physics
    • 国際学会

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公開日: 2024-12-25  

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