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2021 年度 実施状況報告書

非エルミート・トポロジーと強相関効果が誘起する新奇物性

研究課題

研究課題/領域番号 21K13850
研究機関筑波大学

研究代表者

吉田 恒也  筑波大学, 数理物質系, 助教 (50733078)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード非エルミート系 / 開放量子系 / トポロジカル物性 / 強相関系
研究実績の概要

本年度は、以下の成果を挙げた。(i)非エルミート系における分類学のリダクション. (ii)近藤絶縁体における例外点. (iii) 判別式に基づく例外点の解析 (iv) トポロジカル現象の新たな舞台の開拓。
(i)の「非エルミート系における分類学のリダクション」においては点ギャップトポロジーという非エルミート系における特有のトポロジーに対する強相関効果を議論した。その結果、ゼロ次元系においては相互作用が無い場合にはZの分類にしたがい無限個のトポロジカル相が許されるのに対し、相互作用がある場合はZ2の分類に変化し二種類のトポロジカル相しか許されないことを明らかにした。この分類学のリダクションは相互作用の効果が本質的に効いた現象である。
(ii)の「近藤絶縁体における例外点」においては、SmB6を念頭においた動的平均場による数値シミュレーションにより近藤絶縁体表面において例外点が発現することを明らかにした。
(iii)の「判別式に基づく例外点の解析」においては系の対称性という観点から、ハミルトニアンの固有値方程式の判別式を議論することにより、多重例外点はトポロジカルに非自明な構造によって守られていることを明らかにした。また、そのトポロジーを特徴づける不変量も導入した。さらにこの研究を発展させ、波数空間の高対称点の情報のみから例外点を検出する判別式指標も導入した。
(iv)の「トポロジカル現象の新たな開拓」においては、進化ゲーム理論で記述される系においてトポロジカル現象が見られることを指摘した。進化ゲーム理論はバクテリアの繁殖や人間の合理的振る舞いを数理的に記述する。本研究では、じゃんけんゲームを拡張した系においてカイラルエッジ状態や例外点・表皮効果などのトポロジカル現象が見られることを実証した。以上の研究にくわえ、粒子-正孔対称性に護られた平方根トポロジカル絶縁体の研究も行った。

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

本研究では、ゼロ次元系の点ギャップトポロジーに対する強相関効果を解析し分類学が強相関効果によって変更を受けることを明らかにした[T. Yoshida et al., PRB (2021)]。この研究では世界に先駆けて成果を挙げる事が出来た。また、強相関効果によって近藤絶縁体の表面に例外点がみられることを明らかにできた[R. Peters PRB (2021)]。以上の成果は本課題の申請時に計画していた研究である。
上述の結果に加えて計画当時には予定していなかった成果もあげることができた。具体的には、三重例外点などの多重例外点が対称性の効果によりトポロジカルに非自明な構造を有することを明らかにした[P. Delplace et al., PRL (2021)]。また、非エルミートハミルトニアンの固有値方程式に対し、判別式を考えることで多重例外点の特徴づけも行った。この研究をさらに発展させ例外点に対する対称性指標を導入した[T. Yoshida et al., PRB (2022)]。以上の研究の他に、進化ゲーム理論で記述される系におけるトポロジカル現象も開拓することができた[T. Yoshida et al., PRE (2021), T. Yoshida et al., Sci. Rep. (2022)]。
以上の研究成果に加えて、平衡強相関系において例外点の発現に関する解説記事や二次元の超伝導体におけるトポロジーの研究でレビュー論文を上梓できた。
これらの理由から当初計画していた以上の成果を挙げることができたと考えている。

今後の研究の推進方策

今後は(i)一次元非エルミート系での点ギャップトポロジーに対する強相関効果 (ii)量子もつれによる非エルミート・トポロジカル秩序状態の解析に取り組む。
(i)の「一次元非エルミート系での点ギャップトポロジーに対する強相関効果」については、非エルミートな一次元系を考え、数値計算によってエネルギー固有値を直接計算することにより、点ギャップトポロジーの分類学が強相関効果でどのように変更を受けるか明らかにしたい。解析のために必要となるプログラムは既に完成しており、物性研究所などの大規模計算機クラスターを活用して解析に取り組む。なお、ゼロ次元系の解析においては初年度に独自の成果を挙げることができたので、その経験を活かして取り組みたい。
(ii)の「量子もつれによる非エルミート・トポロジカル秩序状態の解析」では、開放量子系で発現が期待される分数量子ホール状態を念頭におき解析を行う。とくに、基底状態におけるトポロジカル・エンタングルメント・エントロピーの計算を行うことで、量子もつれを用いて非エルミート系におけるトポロジカル秩序の特徴づけを目指す。また、解析には厳密対角化を用いるが、数値計算のためのプログラムの準備は整っている。
以上の研究に加え、非エルミート系における対称性に保護されたトポロジカル状態に対する解析も試みる。非エルミート系での対称性に保護されたトポロジカル相の解析は場の理論を用いた解析が行われているが、数値計算を用いて系統的に解析し相図を得ることを目指す。

次年度使用額が生じた理由

昨今のコロナ禍により、当初計画していた国際会議・ワークショップへの参加が困難となったため。
本年度はコロナ禍が収まりつつあるので可能であれば国際会議・ワークショップへの参加を検討したい。仮に参加が難しい状況であれば、オープンアクセスの雑誌へ研究成果を投稿し成果を社会へ発信したい。

  • 研究成果

    (21件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (12件) (うち国際共著 1件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 5件、 招待講演 7件)

  • [国際共同研究] リヨン大学(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      リヨン大学
  • [雑誌論文] Non-Hermitian topology in rock-paper-scissors games2022

    • 著者名/発表者名
      Tsuneya Yoshida, Tomonari Mizoguchi, and Yasuhiro Hatsugai
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 12 ページ: 560

    • DOI

      10.1038/s41598-021-04178-8

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Edge states of a diffusion equation in one dimension: Rapid heat conduction to the heat bath2022

    • 著者名/発表者名
      Shusei Makino, Takahiro Fukui, Tsuneya Yoshida, and Yasuhiro Hatsugai
    • 雑誌名

      Phys. Rev. E

      巻: 105 ページ: 24137

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.105.024137

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Topological d-wave superconductivity in two dimensions2022

    • 著者名/発表者名
      Youichi Yanase, Akito Daido, Kazuaki Takasan, Tsuneya Yoshida
    • 雑誌名

      Physica E

      巻: 140 ページ: 115143

    • DOI

      10.1016/j.physe.2022.115143

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Discriminant indicators with generalized inversion symmetry2022

    • 著者名/発表者名
      Tsuneya Yoshida Ryo Okugawa and Yasuhiro Hatsugai
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 105 ページ: 085109 1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.105.085109

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Discriminant indicator with generalized rotational symmetry2022

    • 著者名/発表者名
      Hiromasa Wakao Tsuneya Yoshida and Yasuhiro Hatsugai
    • 雑誌名

      arXiv

      巻: 2203.05773 ページ: 1-12

    • DOI

      10.48550/arXiv.2203.05773

  • [雑誌論文] Square-root topological phase with time-reversal and particle-hole symmetry2021

    • 著者名/発表者名
      Tsuneya Yoshida Tomonari Mizoguchi Yoshihito Kuno and Yasuhiro Hatsugai
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 103 ページ: 235130 1-9

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.103.235130

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dynamics governed by symmetry-protected exceptional rings for mechanical systems2021

    • 著者名/発表者名
      Gen Najima Tsuneya Yoshida and Yasuhiro Hatsugai
    • 雑誌名

      arXiv

      巻: 2106.13563 ページ: 1-9

    • DOI

      10.48550/arXiv.2106.13563

  • [雑誌論文] Chiral edge modes in evolutionary game theory: A kagome network of rock-paper-scissors cycles2021

    • 著者名/発表者名
      Tsuneya Yoshida Tomonari Mizoguchi and Yasuhiro Hatsugai
    • 雑誌名

      Phys. Rev. E

      巻: 104 ページ: 025003 1-9

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.104.025003

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Correlation effects on non-Hermitian point-gap topology in zero dimension: Reduction of topological classification2021

    • 著者名/発表者名
      Tsuneya Yoshida and Yasuhiro Hatsugai
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 104 ページ: 075106 1-8

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.104.075106

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Higher-order topological Mott insulator on the pyrochlore lattice2021

    • 著者名/発表者名
      Yuichi Otsuka Tsuneya Yoshida Koji Kudo Seiji Yunoki and Yasuhiro Hatsugai
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11 ページ: 20270 1-7

    • DOI

      10.1038/s41598-021-99213-z

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Symmetry-Protected Multifold Exceptional Points and Their Topological Characterization2021

    • 著者名/発表者名
      Pierre Delplace Tsuneya Yoshida and Yasuhiro Hatsugai
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett.

      巻: 127 ページ: 186602 1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.127.186602

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Surface exceptional points in a topological Kondo insulator2021

    • 著者名/発表者名
      Robert Peters Kazuhiro Kimura Yoshihiro Michishita Tsuneya Yoshida and Norio Kawakami
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B

      巻: 104 ページ: 235153 1-11

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.104.235153

    • 査読あり
  • [学会発表] Correlation effects on non-Hermitian topology2022

    • 著者名/発表者名
      Tsuneya Yoshida
    • 学会等名
      Bulk-Edge/Boundary-Correspondence 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological band theory of thermal diffusion and rock-paper-scissors games2022

    • 著者名/発表者名
      Tsuneya Yoshida
    • 学会等名
      APS march meeting 2022
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 非エルミート性が誘起する強相関トポロジカル現象2022

    • 著者名/発表者名
      吉田恒也
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Correlated systems with non-Hermitian topology2021

    • 著者名/発表者名
      Tsuneya Yoshida
    • 学会等名
      New Trends in Quantum Condensed Matter Theory
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ゼロ次元非エルミートトポロジカル系における強相関効果2021

    • 著者名/発表者名
      吉田恒也
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会
  • [学会発表] Analysis of non-Hermitian topology in correlated systems2021

    • 著者名/発表者名
      Tsuneya Yoshida
    • 学会等名
      Theoretical studies of topological phases of matter
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 進化ゲーム理論におけるトポロジカル現象2021

    • 著者名/発表者名
      吉田恒也
    • 学会等名
      開放系トポロジーの探求
    • 招待講演
  • [学会発表] Exceptional points under symmetry and correlations2021

    • 著者名/発表者名
      Tsuneya Yoshida
    • 学会等名
      Pseudo-Hermitian Hamiltonians in Quantum Physics
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2022-12-28  

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