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2018 年度 実績報告書

ナノスケールのスピン構造が誘起するトポロジカル熱電変換物質デザイン

公募研究

研究領域次世代物質探索のための離散幾何学
研究課題/領域番号 18H04481
研究機関金沢大学

研究代表者

石井 史之  金沢大学, ナノマテリアル研究所, 准教授 (20432122)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2020-03-31
キーワード熱電効果 / トポロジカル不変量 / 波動関数 / トポロジー / 磁気構造 / スカーミオン / 異常ネルンスト効果 / 異常ホール効果
研究実績の概要

効率的なエネルギー利用を目指した電子スピンが重要となる熱電変換現象の一つに、異常ネルンスト効果がある。これは、熱勾配によって生じた電流が、電子波動関数のトポロジー:有効磁場(波動関数の曲率)に起因して曲がる熱誘起の異常ホール効果である。この異常ネルンスト効果をどのように増大させるかは自明ではない。本研究では、密度汎関数法に基づく第一原理計算手法を用いて、具体的な物質、特にナノスケールのスピン構造をもつ物質の磁気安定性と波動関数のトポロジーを調べ、その熱電変換性能の巨大化を試みている。今年度の研究実績は主に次の3点である。(1) ナノスケールの磁気構造の一つであるスカーミオンの磁気安定性を調べるため、「一般化されたブロッホの定理」をの計算プログラムを開発し、論文 T. B. Prayitno and F. Ishii, Implementation of Generalized Bloch Theorem Using Linear Combination of Pseudo-Atomic Orbitals, Journal of the Physical Society of Japan 87, 114709 (2018)として出版した。(2) ハーフホイスラー合金において、ゼーベック効果、異常ネルンスト効果のキャリア依存性について明らかにした。この成果を論文 S. Minami, F. Ishii, Y.P. Mizuta, and M. Saito, First-principles study on thermoelectric properties of half-Heusler compounds CoMSb(M=Sc, Ti, V, Cr, and Mn), Appl. Phys. Lett. 113, 032403 (2018)として出版した。(3) 周期系に電場印加の計算プログラムの開発をおこなった。これはブロッホ波動関数の幾何学的位相に関する有効ポテンシャルであり、発展させることで他のトポロジカル量に関する有効ポテンシャルの開発が可能となる。

現在までの達成度 (区分)
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

具体的物質のトポロジーに基づいた熱電変換現象の解析は計画通りに進んでおり、有効ポテンシャルの開発はやや遅れているが計画通りに取り組んでいる。

今後の研究の推進方策

今年度に研究協力者である数学者と共同でトポロジカル不変量の新たな解析手法の開発にも取り組む予定である。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 7件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Implementation of Generalized Bloch Theorem Using Linear Combination of Pseudo-Atomic Orbitals2018

    • 著者名/発表者名
      Prayitno Teguh Budi、Ishii Fumiyuki
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 87 ページ: 114709-1~9

    • DOI

      10.7566/JPSJ.87.114709

    • 査読あり
  • [雑誌論文] First-principles study on thermoelectric properties of half-Heusler compounds CoMSb (M?=?Sc, Ti, V, Cr, and Mn)2018

    • 著者名/発表者名
      Minami Susumu、Ishii Fumiyuki、Mizuta Yo Pierre、Saito Mineo
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 113 ページ: 032403-1~5

    • DOI

      10.1063/1.5029907

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electric Field Dependence of Topological Edge States in One-Bilayer Bi(111): A First-Principles Study2018

    • 著者名/発表者名
      Sawahata Hikaru、Yamaguchi Naoya、Kotaka Hiroki、Ishii Fumiyuki
    • 雑誌名

      e-Journal of Surface Science and Nanotechnology

      巻: 16 ページ: 427~430

    • DOI

      10.1380/ejssnt.2018.427

    • 査読あり
  • [学会発表] 電場印加下におけるバルクの第一原理計算と磁性系への応用2019

    • 著者名/発表者名
      山口直也、石井史之
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
  • [学会発表] 電場印加下の誘電体バルクにおけるスピン軌道分裂の第一原理計算2018

    • 著者名/発表者名
      山口直也、石井史之
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [学会発表] First-principles study of electric-field induced Z_2_ topological phase transition in strained one-bilayer Bi(111)2018

    • 著者名/発表者名
      Hikaru Sawahata, Naoya Yamaguchi and Fumiyuki Ishii
    • 学会等名
      The 21st Asian Workshop on First-principles Electronic Structure Calculation
    • 国際学会
  • [学会発表] Bi薄膜のトポロジカル絶縁体相における歪みと電界効果の第一原理計算2018

    • 著者名/発表者名
      澤端日華瑠, 山口直也, 石井史之
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [学会発表] Z2不変量の第一原理計算コードの開発と2原子層Bi(111)への応用2018

    • 著者名/発表者名
      澤端日華瑠, 山口直也, 石井史之
    • 学会等名
      物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算物質科学の今と未来」
  • [学会発表] 磁性ハーフホイスラー 合金の熱伝導率の第一原理計算2018

    • 著者名/発表者名
      堀彰紘, 田中悠斗, 見波将, 石井史之, 斎藤峯雄
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [学会発表] First-principles study on anomalous Nernst effect in Fe3Al and related compounds2018

    • 著者名/発表者名
      Susumu Minami, Fumiyuki Ishii, Mineo Saito
    • 学会等名
      The 21st Asian Workshop on First-principles Electronic Structure Calculation
    • 国際学会
  • [学会発表] First-principles calculations on anomalous thermoelectric effect of ferromagnetic Hustler alloys2018

    • 著者名/発表者名
      Susumu Minami, Fumiyuki Ishii, Mineo Saito
    • 学会等名
      The International Summer Workshop 2018 on First-Principles Electronic Structure Calculations in ISSP
    • 国際学会
  • [学会発表] 強磁性ホイスラー合金における熱電効果の第一原理計算2018

    • 著者名/発表者名
      見波将, 石井史之, 斎藤峯雄
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [学会発表] 強磁性ハーフホイスラー化合物CoMnSbにおける熱電特性の第一原理計算2018

    • 著者名/発表者名
      見波将, 石井史之, 水田耀ピエール, 斎藤峯雄
    • 学会等名
      H30年度ポスト「京」重点課題(7)第3回CDMSI研究会
  • [学会発表] ハーフホイスラー型化合物CoMSb (M=Sc,Ti,V,Cr,Mn)における異常ネルンスト効果の第一原理計算2018

    • 著者名/発表者名
      見波将, 石井史之, 水田耀ピエール, 斎藤峯雄
    • 学会等名
      物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会
  • [学会発表] First-principles study of Berry-phase-mediated thermoelectric effects2018

    • 著者名/発表者名
      Fumiyuki Ishii
    • 学会等名
      The 21st Asian Workshop on First-principles Electronic Structure Calculation
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Berry-phase-mediated Thermoelectric Effects in Magnetic Materials2018

    • 著者名/発表者名
      Fumiyuki Ishii, Susumu Minami, Yo Pierre Mizuta, Hikaru Sawahata, Akihiro Hori, Yuto Tanaka and Mineo Saito
    • 学会等名
      19th International Workshop on Computational Physics and Material Science: Total Energy and Force Methods
    • 国際学会
  • [学会発表] Large anomalous Nernst effect in narrow-gap Chern insulator2018

    • 著者名/発表者名
      Yo Pierre Mizuta,Hikaru Sawahata, and Fumiyuki Ishii
    • 学会等名
      International Workshop on Computational Design and Discovery of Novel Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] First-principles study of anomalous thermoelectric effects2018

    • 著者名/発表者名
      Fumiyuki Ishii
    • 学会等名
      8th Time-Dependent Density-Functional Theory: Prospects and Applications
    • 国際学会

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公開日: 2019-12-27  

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