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2020 年度 実績報告書

非平衡開放系におけるトポロジカル相を記述する基礎理論の構築

研究課題

研究課題/領域番号 19J21927
研究機関東京大学

研究代表者

川畑 幸平  東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2022-03-31
キーワード非平衡 / トポロジカル / 非エルミート
研究実績の概要

令和元年度の研究で、非エルミート物理における対称性とトポロジーを記述する理論的枠組みの構築に成功した。とくに、非エルミートなトポロジカル相を内部対称性にもとづいて包括的に分類する一般理論を構築した。これらの結果をもとにして、令和2年度は、非平衡開放系における空間対称性の役割について研究した。とくに、回転対称な非エルミートな2次元系で、あたらしいトポロジカル結晶相とそれにともなう局在現象を発見し、高次表皮効果と名付けた。非平衡開放系における空間対称性の役割は、これまでほとんど理解されておらず、本研究結果は、その理解を導き、あたらしい研究を切り開くものである。また、本研究で理論的に提案された高次表皮効果は、スペイン・フランスのグループによるアクティブ粒子の実験 [L. S. Palacios et al., Nat. Commun. 12, 4691 (2021)]、ならびに中国のグループによる音響媒質の実験 [X. Zhang et al., Nat. Commun. 12, 5377 (2021)] において検証され、新しい動的制御の指針を与えるものとして、実用的な応用も期待される。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

近年、トポロジーによって特徴付けられる物理に大きな関心が集まっている。トポロジカル相の理論および実験は大きな成功を収めてきたが、これまで孤立平衡系に研究の対象が制限されてきた。本研究課題の目的は、孤立平衡系を中心とした従来のトポロジカル相の理論をこえて、エネルギーや粒子の流入・散逸をともなう非平衡開放系で現れるトポロジカル相にかんする包括的な基礎理論を構築することである。
令和2年度に得られた研究成果は、これまで研究されてこなかった、非平衡開放系における空間対称性の役割に新しい理解を与えるものである。非平衡開放系におけるトポロジカル結晶相のあたらしい特徴付けを行っただけではなく、高次表皮効果とあらたに名付けた非平衡トポロジカル現象も見出し、実験で実現可能なかたちで具体的な理論提案を行った。実際に、スペイン・フランスのグループによるアクティブ粒子の実験、ならびに中国のグループによる音響媒質の実験において検証され、新しい動的制御の指針を与えるものとして、実用的な応用も期待される(前述)。
上記の研究にくわえて、非エルミート系を記述する非 Bloch バンド理論の研究、非エルミートなランダム行列理論とその量子開放系への応用についての研究、ならびに非エルミートな量子多体系における量子相転移についての研究も行った。
以上を踏まえて、当初の計画以上に進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

これまで、おもに乱れがなく、かつ多体相互作用を含まない非エルミート系を中心に研究してきたが、乱れや多体相互作用を含む非平衡開放系についても研究を進める。この研究をつうじて、非平衡環境下での乱れと Anderson 局在の普遍性について解明し、非エルミート系における局在 (Anderson) 転移の一般理論を構築することを目指す。また、非エルミート系を普遍的なかたちで記述する場の理論を構築し、それを踏まえてあたらしい非平衡トポロジカル現象を探究する。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 3件、 招待講演 4件)

  • [国際共同研究] Boston University/University of Maryland(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Boston University/University of Maryland
  • [雑誌論文] Non-Bloch band theory of non-Hermitian Hamiltonians in the symplectic class2020

    • 著者名/発表者名
      Kohei Kawabata, Nobuyuki Okuma, and Masatoshi Sato
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 101 ページ: 195147

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.101.195147

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Universality classes of non-Hermitian random matrices2020

    • 著者名/発表者名
      Ryusuke Hamazaki, Kohei Kawabata, Naoto Kura, and Masahito Ueda
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 2 ページ: 023286

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.2.023286

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Probing XY phase transitions in a Josephson junction array with tunable frustration2020

    • 著者名/発表者名
      Raj Cosmic, Kohei Kawabata, Yuto Ashida, Hiroki Ikegami, Shunsuke Furukawa, Pranay Patil, Jacob M. Taylor, and Yasunobu Nakamura
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 102 ページ: 094509

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.102.094509

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Real spectra in non-Hermitian topological insulators2020

    • 著者名/発表者名
      Kohei Kawabata and Masatoshi Sato
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 2 ページ: 033391

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.2.033391

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Higher-order non-Hermitian skin effect2020

    • 著者名/発表者名
      Kohei Kawabata, Masatoshi Sato, and Ken Shiozaki
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 102 ページ: 205118

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.102.205118

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Continuous Phase Transition without Gap Closing in Non-Hermitian Quantum Many-Body Systems2020

    • 著者名/発表者名
      Norifumi Matsumoto, Kohei Kawabata, Yuto Ashida, Shunsuke Furukawa, and Masahito Ueda
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 125 ページ: 260601

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.125.260601

    • 査読あり
  • [学会発表] 非エルミートトポロジカル場の理論2021

    • 著者名/発表者名
      川畑幸平、塩崎謙、笠真生
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会、オンライン開催(2021 年 3 月 12 日)
  • [学会発表] 非エルミート物理における対称性とトポロジー2021

    • 著者名/発表者名
      川畑幸平
    • 学会等名
      日本物理学会 第76回年次大会、オンライン開催(若手奨励賞記念講演・2021 年 3 月 14 日)
    • 招待講演
  • [学会発表] Nonunitary Scaling Theory of Non-Hermitian Localization2020

    • 著者名/発表者名
      Kohei Kawabata
    • 学会等名
      Localisation 2020, online (August 27th, 2020)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 非エルミート系の局在スケーリング理論2020

    • 著者名/発表者名
      川畑幸平、笠真生
    • 学会等名
      日本物理学会 2020 年秋季大会、オンライン開催(2020 年 9 月 10 日)
  • [学会発表] 高次非エルミート表皮効果2020

    • 著者名/発表者名
      川畑幸平、佐藤昌利、塩崎謙
    • 学会等名
      日本物理学会 2020 年秋季大会、オンライン開催(2020 年 9 月 11 日)
  • [学会発表] Non-Hermitian topology2020

    • 著者名/発表者名
      Kohei Kawabata
    • 学会等名
      Correlated Electrons Virtual International Seminars (December 2nd, 2020)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological Field Theory of Non-Hermitian Systems2020

    • 著者名/発表者名
      Kohei Kawabata
    • 学会等名
      Theoretical studies of topological phases of matter, Kyoto, Japan (December 18th, 2020)
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2022-12-28  

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