研究課題
半導体や半金属において電子―正孔対が自発的に凝縮する励起子秩序の可能性は古くから議論されてきたが、その有力な候補物質としてTa2NiSe5 が近年注目を集めている。この物質は328Kで斜方晶から単斜晶への構造相転移を示すとともに、低温相で価電子バンドの平坦化が観測され、励起子秩序の証拠と考えられている。さらに圧力を印加すると次第に半金属的となり、構造相転移が消失する8GPa 付近で超伝導が発現し、励起子揺らぎによる超伝導の可能性も期待される。先行研究では、第一原理計算に基づいてNi由来の価電子バンドと2 重に縮退したTa由来の伝導バンドからなる3 鎖ハバード模型が提案され、常圧の半導体における構造相転移を励起子秩序により説明できることが示されている。一方、加圧下の半金属では、伝導バンドと価電子バンドの縮重度の違いにより必然的にフェルミ波数にずれが生じるが、そのような状況における励起子秩序や超伝導についてはこれまで調べられていない。そこで本研究では、Ta2NiSe5 に対する3 鎖ハバード模型に対して、Ta―Ni間のクーロン相互作用を平均場近似およびRPA により考慮し、励起子秩序およびその揺らぎによる超伝導について調べた。その結果、半金属状態では有限の重心運動量q≠0を持った励起子が凝縮するFFLO励起子状態が実現することがわかった。このFFLO励起子状態は、重心運動量qに加えて、Ni―Ta―Niサイト間で秩序変数に有限の位相差φを伴う特徴をもつ。さらに、励起子秩序の転移点近傍で発達する励起子揺らぎによる引力相互作用を用いてエリアシュベルグ方程式を解くことにより、スピン一重項s波の超伝導が実現することもわかった。また、この超伝導が励起子相の内部で実現する場合は、バンド間でギャップ関数が逆符号となるs±波となり、鉄系超伝導体で議論されているとs±波との関連でも興味深い。
2: おおむね順調に進展している
励起子秩序については長年多くの研究が行われてきたが、伝導バンドと価電子バンドの縮重度の違いにより半金属状態でFFLO励起子状態が実現することは本研究で初めて明らかにされた。また、励起子揺らぎによる超伝導は、高温超伝導発現機構として古くから提案されてきたが、励起子相内部ではs±波超伝導が実演することも本研究で初めて示された。
Ta2NiSe5の第一原理バンド計算に基づいて現実的な多バンドハバード模型を構築し、より定量的な議論を行う。また、電子―フォノン相互作用の効果を考慮し、構造相転移と励起子秩序の関係、および、その近傍で実現する超伝導状態を明らかにする。さらに、RPAを超えて強相関・強結合効果を十分に考慮するため、動的平均場理論とエリアシュベルグ方程式を組み合わせた計算手法をこの系に対して拡張し、より精度の高い超伝導の議論を行う。
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