５ｄ遷移金属酸化物の強いスピン軌道相互作用がもたらす強相関量子相に関する微視理論

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25287096
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 柚木 清司 国立研究開発法人理化学研究所, 柚木計算物性物理研究室, 准主任研究員 (70532141)
• 研究分担者: 白川 知功 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 (40571237) ; 渡部 洋 早稲田大学, 付置研究所, 助教 (50571238)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: スピン軌道相互作用 / 遷移金属酸化物

研究実績の概要

まず、スピン軌道相互作用が強い遷移金属酸化物の中で、5個のd電子を有し、しかも二次元ハニカム格子状の結晶構造を持つNa2IrO3、Li2IrO3、LiRhO3、RuCl3等の電子状態を三軌道ハバード模型を解析することで調べた。これらの物質群では、d軌道の特徴的なホッピングのため、電子がハニカム格子の六員環中に閉じ込められた分子軌道型バンド絶縁体が実現すると期待されていた。しかしながら、我々の数値的厳密対角化法を用いた解析から、スピン軌道相互作用の他に、電子間相互作用も分子軌道型バンド絶縁体に対してdestructiveであることを明らかにした。スピン軌道相互作用／電子間相互作用を増すに従って、分子軌道型バンド絶縁体から相対論的モット絶縁体にクロスオーバーするが、この特徴が光学伝導度および非弾性X線散乱スペクトルにどのように現れるかも明らかにした。
次に、SrIrO3においてIrをSnに置換した場合に電子状態がどのように変化するかを第一原理バンド計算をもとに解析した。その結果、SrIrO3は非磁性金属であるが、Snを数％注入するとGタイプの反強磁性体が出現することを明らかにした。実験グループとの共同研究により、Snを注入して現れた反強磁性体はスレータ型の反強磁性体であることを明らかにした。スレータ型反強磁性体とは、反強磁性が現れる転移温度で電子状態に一粒子励起ギャップが有限になる物質群で、これまで数物質しか知られていなかった。したがって、この物質は、数少ないスレータ型反強磁性体として非常にユニークである。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Chinese Academy of Sciences(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Chinese Academy of Sciences
• [国際共同研究] University of Texas/Oak Ridge National Laboratory/University of Tennessee(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Texas/Oak Ridge National Laboratory/University of Tennessee
  • 他の機関数: 3
• [国際共同研究] University of Wurzburg/Max-Plank-Institute(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: University of Wurzburg/Max-Plank-Institute
• [雑誌論文] Electronic properties and applications of MXenes: a theoretical review (2017)
  • 著者名/発表者名: Mohammad Khazaei, Ahmad Ranjbar, Masao Arai, Taizo Sasaki, and Seiji Yunoki
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 5 ページ: 2488-2503
  • DOI: 10.1039/C7TC00140A
  • 査読あり
• [雑誌論文] From a Quasimolecular Band Insulator to a Relativistic Mott Insulator in t_2g^5 Systems with a Honeycomb Lattice Structure (2016)
  • 著者名/発表者名: Beom Hyun Kim, Tomonori Shirakawa, and Seiji Yunoki
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 117 ページ: 187201/1-5
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.187201
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Slater Insulator in Iridate Perovskites with Strong Spin-Orbit Coupling (2016)
  • 著者名/発表者名: Q. Cui, J.-G. Cheng, W. Fan, A. E. Taylor, S. Calder, M. A. McGuire, J.-Q. Yan, D. Meyers, X. Li, Y. Q. Cai, Y. Y. Jiao, Y. Choi, D. Haskel, H. Gotou, Y. Uwatoko, J. Chakhalian, A. D. Christianson, S. Yunoki, J. B. Goodenough, and J.-S. Zhou
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 117 ページ: 176603/1-5
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.176603
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Three-dimensional electronic structures and the metal-insulator transition in Ruddlesden-Popper iridates (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Yamasaki, H. Fujiwara, S. Tachibana, D. Iwasaki, Y. Higashino, C. Yoshimi, K. Nakagawa, Y. Nakatani, K. Yamagami, H. Aratani, O. Kirilmaz, M. Sing, R. Claessen, H. Watanabe, T. Shirakawa, S. Yunoki, A. Naitoh, K. Takase, J. Matsuno, H. Takagi, A. Sekiyama, and Y. Saitoh
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 94 ページ: 115103/1-10
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.115103
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Brillouin-zone integration scheme for many-body density of states: Tetrahedron method combined with cluster perturbation theory (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Seki and S. Yunoki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 93 ページ: 245115/1-11
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.245115
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Topological insulators in the ordered double transition metals M′2M′′C2 MXenes (M′= Mo, W; M′′= Ti, Zr, Hf) (2016)
  • 著者名/発表者名: Mohammad Khazaei, Ahmad Ranjbar, Masao Arai, and Seiji Yunoki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 94 ページ: 125152/1-9
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.125152
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nearly free electron states in MXenes (2016)
  • 著者名/発表者名: Mohammad Khazaei, Ahmad Ranjbar, Mahdi Ghorbani-Asl, Masao Arai, Taizo Sasaki, Yunye Liang, and Seiji Yunoki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 93 ページ: 205125/1-10
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.205125
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Microscopic model study of strongly correlated 5d transition metal Ir oxides (2016)
  • 著者名/発表者名: Seiji Yunoki
  • 学会等名: IUMRS 2016 Symposium Z
  • 発表場所: Qingdao (China)
  • 年月日: 2016-10-21 – 2016-10-24
  • 国際学会 / 招待講演