物質設計を見据えた強相関理論の構築

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H01041
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 大槻 純也 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (60513877)
• 研究分担者: 野村 悠祐 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (20793756) ; 品岡 寛 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (40773023) ; 吉見 一慶 東京大学, 物性研究所, 特任研究員 (10586910)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 強相関電子系 / 動的平均場法 / 磁性 / 第一原理計算 / 多極子秩序

研究実績の概要

本研究では、磁性や超伝導などの機能物性を第一原理的に記述する実用的な理論の構築を目指して、動的平均場法（DMFT法）によって強相関効果を考慮した第一原理計算法（DFT+DMFT法）の発展とその応用に取り組む。全研究期間を通した研究計画は、DFT+DMFT法に関連した理論構築とその適用範囲を検証する“基礎”と適用限界の範囲で強相関化合物の物質設計に応用する“応用”に分かれる。本年度は基礎に関する以下の課題に取り組んだ。
化合物の磁性、あるいは一般に多極子秩序を理論計算により調べるためには、波数依存した感受率を計算する必要がある。DFT+DMFT法では、波数依存感受率はベーテ・サルピータ方程式と呼ばれる方程式を解くことで得られる。しかし、感受率はスピン・軌道自由度の添え字を4つ有するため、強相関系の舞台であるd軌道系やf軌道系でこの方程式を解くこは簡単ではない。特に、f軌道に応用するためには、適切な近似による計算量の削減と得られた多極子感受率（4階のテンソル量）の解析法の確立が必要である。
本研究では、多極子秩序の研究でもっともよく調べられているf電子系化合物CeB6を対象として、DFT+DMFT法による電子構造および多極子感受率の計算を行い、検証を行った。その結果、実験と矛盾のない波数依存感受率を得ることができた。この最終的な結果を得る過程において、相互作用に関するdouble counting correctionに関して重要な知見が得られた。この結果は、今後、DFT+DMFT法を様々なf電子系化合物に応用していく際に重要な指針となる。

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

動的平均場法に基づいた多極子秩序の計算に関して、典型物質であるCeB6の実験を再現することができた。この研究の過程で得られたdouble counting correctionに関する知見は、DFT+DMFT法をより広範な物質群に応用していく際に重要なものになると期待される。

今後の研究の推進方策

CeB6を対象とした動的平均場法に基づく多極子秩序の計算に関して論文にまとめて投稿する。この知見をもとに、次年度は、他のf電子系化合物にも応用する。また、強相関超伝導を扱うための簡易計算公式の構築にも取り組んでいく。

研究成果

• [雑誌論文] Robust analytic continuation combining the advantages of the sparse modeling approach and the Pade approximation (2022)
  • 著者名/発表者名: Motoyama Yuichi、Yoshimi Kazuyoshi、Otsuki Junya
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 035139-1～7
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.035139
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superconductivity in infinite-layer nickelates (2022)
  • 著者名/発表者名: Nomura Yusuke、Arita Ryotaro
  • 雑誌名: Reports on Progress in Physics 巻: 85 ページ: 052501-1~20
  • DOI: 10.1088/1361-6633/ac5a60
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic structures and electronic properties of cubic-pyrochlore ruthenates from first principles (2022)
  • 著者名/発表者名: Huebsch M-T、Nomura Y、Sakai S、Arita R
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 34 ページ: 194003-1～13
  • DOI: 10.1088/1361-648X/ac513c
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ab Initio Downfolding Based on the GW Approximation for Infinite-Layer Nickelates (2022)
  • 著者名/発表者名: Hirayama Motoaki、Nomura Yusuke、Arita Ryotaro
  • 雑誌名: Frontiers in Physics 巻: 10 ページ: 824144-1~9
  • DOI: 10.3389/fphy.2022.824144
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] DCore: Integrated DMFT software for correlated electrons (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinaoka Hiroshi、Otsuki Junya、Kawamura Mitsuaki、Takemori Nayuta、Yoshimi Kazuyoshi
  • 雑誌名: SciPost Physics 巻: 10 ページ: 117-1～31
  • DOI: 10.21468/SciPostPhys.10.5.117
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 温度グリーン関数の情報圧縮に基づく高速量子多体計算法 (2021)
  • 著者名/発表者名: 品岡寛, 近野直也, 野本拓也, 大槻純也, 吉見一慶
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 56 ページ: 301～314
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab initio derivation and exact diagonalization analysis of low-energy effective Hamiltonians for β'-X[Pd(dmit)2]2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshimi Kazuyoshi、Tsumuraya Takao、Misawa Takahiro
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 ページ: 043224-1~11
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.043224
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab initio derivation of low-energy Hamiltonians for systems with strong spin-orbit interaction: Application to Ca5Ir3O12 (2021)
  • 著者名/発表者名: Charlebois Maxime、Moree Jean-Baptiste、Nakamura Kazuma、Nomura Yusuke、Tadano Terumasa、Yoshimoto Yoshihide、Yamaji Youhei、Hasegawa Takumi、Matsuhira Kazuyuki、Imada Masatoshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 075153-1~19
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.075153
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dirac-Type Nodal Spin Liquid Revealed by Refined Quantum Many-Body Solver Using Neural-Network Wave Function, Correlation Ratio, and Level Spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Nomura Yusuke、Imada Masatoshi
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 11 ページ: 031034-1~19
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.11.031034
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Purifying Deep Boltzmann Machines for Thermal Quantum States (2021)
  • 著者名/発表者名: Nomura Yusuke、Yoshioka Nobuyuki、Nori Franco
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 127 ページ: 060601-1~7
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.060601
  • 査読あり
• [雑誌論文] qeirreps: An open-source program for Quantum ESPRESSO to compute irreducible representations of Bloch wavefunctions (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsugatani Akishi、Ono Seishiro、Nomura Yusuke、Watanabe Haruki
  • 雑誌名: Computer Physics Communications 巻: 264 ページ: 107948-1~29
  • DOI: 10.1016/j.cpc.2021.107948
  • 査読あり
• [雑誌論文] Helping restricted Boltzmann machines with quantum-state representation by restoring symmetry (2021)
  • 著者名/発表者名: Nomura Yusuke
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 33 ページ: 174003-1~8
  • DOI: 10.1088/1361-648X/abe268
  • 査読あり
• [雑誌論文] RESPACK: An ab initio tool for derivation of effective low-energy model of material (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Kazuma、Yoshimoto Yoshihide、Nomura Yusuke、Tadano Terumasa、Kawamura Mitsuaki、Kosugi Taichi、Yoshimi Kazuyoshi、Misawa Takahiro、Motoyama Yuichi
  • 雑誌名: Computer Physics Communications 巻: 261 ページ: 107781-1~20
  • DOI: 10.1016/j.cpc.2020.107781
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 量子多体問題への機械学習 (2021)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐
  • 雑誌名: 電子情報通信学会誌 巻: 104 ページ: 1150-1157
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multipolar ordering in the three-orbital Hubbard model (2021)
  • 著者名/発表者名: Chikano Naoya、Hoshino Shintaro、Shinaoka Hiroshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 235125-1～11
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.235125
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solving the Bethe-Salpeter equation with exponential convergence (2021)
  • 著者名/発表者名: Wallerberger Markus、Shinaoka Hiroshi、Kauch Anna
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 ページ: 033168-1～18
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.033168
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sparse modeling of large-scale quantum impurity models with low symmetries (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinaoka Hiroshi、Nagai Yuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 ページ: 045120-1～8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.045120
  • 査読あり
• [学会発表] 圧縮センシングによるコンプトン散乱データからのフェルミ面再構成と実験計画 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大槻純也，吉見一慶，中西（大野）義典，M. Sekania，L. Chioncel，水牧仁一朗
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会（オンライン開催）
• [学会発表] FLEX calculations for κ-(BEDT-TTF)2X charge transfer salts (2022)
  • 著者名/発表者名: 清水真, D. Guterding, 大槻純也, H. O. Jeschke
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会（オンライン開催）
• [学会発表] ハーフメタル候補物質CoS2における巨大スピン依存電子相関 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤原弘和, 寺嶋健成, 大槻純也, 竹森那由多, H. O. Jeschke, 脇田高徳, 矢野佑幸, 細田渉, 片岡範行, 照屋淳志, 垣花将司, 辺土正人, 仲間隆男, 大貫惇睦, 矢治光一郎, 原沢あゆみ, 黒田健太, 辛埴, 堀場弘司, 組頭広志, 村岡祐治, 横谷尚睦
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会（オンライン開催）
• [学会発表] スパースモデリングを活用した多軌道系への解析接続手法の検証 (2022)
  • 著者名/発表者名: 本山裕一, 吉見一慶, 大槻純也
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会（オンライン開催）
• [学会発表] TM分子系における系統的第一原理有効模型に基づいた電子状態の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉見一慶, 圓谷貴夫, 三澤貴宏, 妹尾仁嗣
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会（オンライン開催）
• [学会発表] Artificial neural networks for quantum many-body problems (2022)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura
  • 学会等名: APS march meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 量子多体問題に対する人工ニューラルネットワーク手法 (2022)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐
  • 学会等名: 計算科学と実験科学が導く量子物質研究の最先端
• [学会発表] 圧縮センシングを用いたコンプトン散乱運動量密度３次元再構成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大槻純也
  • 学会等名: 第71回SPring-8先端利用技術ワークショップ/第3回データ駆動科学によるデータ解析高度化（SPring-8, オンライン開催）
  • 招待講演
• [学会発表] 強相関電子系におけるスパースモデリング (2021)
  • 著者名/発表者名: 大槻純也
  • 学会等名: 物性コロキウム（東北大学）
  • 招待講演
• [学会発表] 強相関電子系におけるスパースモデリングと圧縮センシング (2021)
  • 著者名/発表者名: 大槻純也
  • 学会等名: 第9回 情報計測オンラインセミナー（オンライン開催）
  • 招待講演
• [学会発表] コンプトン散乱データからのフェルミ面再構成：圧縮センシングの応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大槻純也，吉見一慶，中西（大野）義典，M. Sekania，L. Chioncel，水牧仁一朗
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [学会発表] グリーン関数の解析接続ソフトウェア SpM version2 (2021)
  • 著者名/発表者名: 本山裕一, 吉見一慶, 大槻純也, 品岡寛
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [学会発表] TM分子系における系統的第一原理有効模型の導出 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉見一慶, 三澤貴宏, 圓谷貴夫
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [学会発表] ベイズ最適化パッケージPHYSBOとその応用例 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田村亮, 本山裕一, 吉見一慶, 寺山慧, 植野剛, 津田宏治
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [学会発表] オートエンコーダを用いた二次元イジング模型における相推定器の精度検証 (2021)
  • 著者名/発表者名: 塩崎康平, 吉見一慶, 荒畑恵美子
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [学会発表] 深層ボルツマンマシンを用いた有限温度計算(I)：熱平衡状態の解析的純粋化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会（オンライン開催）
• [学会発表] フラーレン超伝導体薄膜における超伝導のドーピング非対称性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐
  • 学会等名: 京都大学基礎物理学研究所研究会 「非自明な電子状態が生み出す超伝導現象の最前線:新たな挑戦と展望」
  • 招待講演
• [学会発表] 人工ニューラルネットワークを用いた量子多体ソルバー (2021)
  • 著者名/発表者名: 野村悠祐
  • 学会等名: 「富岳」成果創出加速プログラム 物質・材料系課題 合同研究会
• [学会発表] Artificial Neural Networks for Analyzing Quantum Many-Body Problems (2021)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura
  • 学会等名: KMS 2021 Winter Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Artificial neural networks for representing quantum many-body states (2021)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura
  • 学会等名: Quantum Techniques in Machine Learning (QTML) 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Materials design of cuprate-analog nickelates and magnetic exchange coupling (2021)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura
  • 学会等名: 2nd International Meeting on Thin Film Interfaces, Surfaces and Composite Crystals
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Purifying deep Boltzmann machines for thermal quantum states (2021)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura
  • 学会等名: APW-RIKEN-Tsinghua-Kavli workshop “Highlights on condensed matter physics” 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Purifying Deep Boltzmann Machines for Thermal Quantum States (2021)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura
  • 学会等名: XXXII IUPAP Conference on Computational Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Materials design of layered d9 nickelates and magnetic exchange coupling (2021)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nomura
  • 学会等名: Quantum Liquid Crystals 2021 (QLC2021)
  • 国際学会 / 招待講演