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2020 年度 実施状況報告書

励起子量子凝縮相の励起状態ダイナミクス

研究課題

研究課題/領域番号 19K14644
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

杉本 高大  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 助教(有期) (70756072)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード励起子絶縁体 / 遷移金属化合物 / クラスター平均場近似 / スピン流 / 時間依存ランチョス法 / ハバード模型
研究実績の概要

物質中の電子・正孔対(励起子)が自発的に生成され、それらが量子凝縮を起こした系を励起子絶縁体と呼ぶ。Ta2NiSe5をはじめとする近年の励起子絶縁体の候補物質の発見とともに、その物性の理解が大きく進展している。本年度は特に以下の成果を得た。
(1) 励起子絶縁体を説明する簡単な格子模型の一つに拡張Falicov-Kimball模型がある。この模型に自発的対称性の破れを取り入れることができるクラスター平均場近似を用いることで、有限温度における一粒子スペクトルおよび光学伝導度の振る舞いを明らかにした。この結果、実験で予想されていた励起子相転移の転移温度以上に見られるプリフォームド励起子の出現を再現することができ、有限温度における励起子相の理解が深まった。この他、スピンを考慮した2軌道ハバード模型におけるスピン三重項型の励起子絶縁体にd波対称性を持ったクロスホッピングを導入してキャリアをドープすると、電場を印加することによってそれと垂直な方向に純スピン流が生成することを示した。
(2) 量子相の非平衡ダイナミクスの理解を深化させるため、ハーフフィリングにおける一次元格子上の引力ハバード模型および異方的三角格子上の斥力ハバード模型における、定常外場を導入した際の振る舞いを時間依存ランチョス法を用いて調べた。この結果、引力ハバード模型では元々縮退していた電荷密度波相と超伝導相をコントロールできることを示した。また、異方的三角格子上の斥力ハバード模型においては、基底状態で競合するネール秩序と120°秩序が外場によってスイッチング可能であることを示した。さらにこれらの相制御はフロケ理論によってよく記述されることを示した。
(3) 関連する成果として、第一原理計算を用いたSr7Re4O19, Ce3PtIn11, LiVS2に関する研究を実験グループと共同で行った。

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

本年度は非平衡でのダイナミクスに関しては、スピン三重項型の励起子絶縁体におけるスピン流生成理論や関連してハバード模型の定常外場による量子相制御の理論といった進展があった。一方で、当初は変分クラスター法を用いた励起子絶縁体の有限温度の解析を行い、クラスター平均場近似の結果との比較を行う予定であったが、少数サイトを扱うために生じる粒子数の不連続性のために変分クラスター法での解析が思うように進まなかった。そのため有限温度の理解が半ばになってしまったため、総合的にやや遅れているとの判断をした。

今後の研究の推進方策

これまでは簡単な模型を中心に扱ってきたが、励起子絶縁体の候補物質と考えられている物質の軌道の対称性を考慮した有効模型の構築を行い、それをもとにした励起状態のダイナミクスの理論計算と解析を行う。特にスピン一重項励起子絶縁体の候補物質であるTa2NiSe5と、励起子磁性体の候補物質であるCa2RuO4に注目して研究を推進する。得られた結果とこれまでの実験結果との比較や新しい実験の提案を行うことで、その候補物質が励起子相にあるかどうかを確かめるための実際的な理論の構築を行う。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウイルス感染症の拡大により、当初予定していた国際会議への参加が中止となったために次年度使用が生じた。この差額は、今後予定されているオンライン学会などへの参加費用や、本研究課題をより強力に推進するために必要な計算機資源の充当に使用する予定である。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 2件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (10件)

  • [国際共同研究] Technical University Dresden/IFW Dresden(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Technical University Dresden/IFW Dresden
  • [国際共同研究] Polish Academy of Science(ポーランド)

    • 国名
      ポーランド
    • 外国機関名
      Polish Academy of Science
  • [国際共同研究] Paul Scherrer Institute(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      Paul Scherrer Institute
  • [雑誌論文] Light-induced switching of magnetic order in the anisotropic triangular-lattice Hubbard model2021

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

      Physical Review B

      巻: 103 ページ: -

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.103.L161106

    • 査読あり
  • [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: 16~16

    • DOI

      10.1038/s41535-021-00313-w

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Observation of a Novel Phase Transition in Sr7Re4O192020

    • 著者名/発表者名
      Ueda Yutaka、Murase Mina、Kobayashi Yoshiaki、Itoh Masayuki、Yajima Takeshi、Yamaguchi Tomoki、Takahashi Ryo、Sugimoto Koudai、Ohta Yukinori
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 89 ページ: 054703~054703

    • DOI

      10.7566/JPSJ.89.054703

    • 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: 174428~174428

    • 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: 235122~235122

    • DOI

      10.1103/physrevb.101.235122

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Successive magnetic transitions in the heavy-fermion superconductor Ce3PtIn11 studied by In115 nuclear quadrupole resonance2020

    • 著者名/発表者名
      Fukazawa Hideto、Kumeda Kazuki、Shioda Naoki、Lee Yongsun、Kohori Yoh、Sugimoto Koudai、Das Debarchan、Blawat Joanna、Kaczorowski Dariusz
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 102 ページ: 165124~165124

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.102.165124

    • 査読あり / 国際共著
  • [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(2021年)
  • [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(2021年)
  • [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(2021年)
  • [学会発表] 重い電子系超伝導体Ce3PtIn11 の二段磁気転移に対するNQRスペクトルの解析2021

    • 著者名/発表者名
      塩田直輝、久米田和樹、Lee Yongsun、深澤英人、小堀洋、D.Das、J. Blawat、D. Kaczorowski、杉本高大
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会(2021年)
  • [学会発表] Mean-field analysis of collective-mode excitations in excitonic magnet Ca2RuO42021

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Yamamoto、Koudai Sugimoto、Yukinori Ohta
    • 学会等名
      APS March Meeting 2021
  • [学会発表] Ce3PtIn11の磁気構造に対する磁気双極子相互作用を基にした考察2020

    • 著者名/発表者名
      塩田直輝、久米田和樹、Lee Yongsun、深澤英人、小堀洋、D. Das、J. Blawat、D. Kaczorowski、杉本高大
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [学会発表] 重い電子系超伝導体Ce3PtIn11のIn-NQRによる二段磁気転移の研究2020

    • 著者名/発表者名
      久米田和樹、塩田直輝、Lee Yongsun、深澤英人、小堀洋、D. Das、J. Blawat、D. Kaczorowski、杉本高大
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
  • [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

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公開日: 2021-12-27  

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