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

2019 年度 実績報告書

• 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 / トポロジカル材料 / 波動関数 / トポロジー / 異常ネルンスト効果 / 強磁性体

研究実績の概要

効率的なエネルギー利用を目指し、電子スピンと波動関数のトポロジーが重要となる熱電変換現象の一つである異常ネルンスト効果の研究に取り組んだ。密度汎関数法に基づく第一原理計算手法を用いて、Fe化合物や二次元物質について多く調べた。主な研究実績は、次の３点にまとめられる。
(1)強磁性状態のFeCl2の単層について、異常ネルンスト効果を調べ、6muV/K程度の大きな異常ネルンスト係数が得られる可能性あること、その起源がブリルアンゾーンのK点近傍の大きなベリー曲率であることを明らかにした。この成果を論文論文 R. Syariati, S. Minami, H. Sawahata and F. Ishii, APL Materials 8, 041105/1-6 (2020)として出版した。
(2)実験グループと共同で、鉄にアルミやガリウムを添加した材料が鉄単体より20倍大きな異常ネルンスト効果を示すこと、その起源が、ノーダルウェブと呼ばれるトポロジカルなバンド構造に由来していることを明らかにした。この成果はA. Sakai, S. Minami, T. Koretsune, T. Chen, T. Higo, Y. Wang, T. Nomoto, M. Hirayama, S. Miwa, D. Nishio-Hamane, F. Ishii, R. Arita and S. Nakatsuji, Nature 581, 53-57 (2020) として出版し、複数の新聞等で報道された（2020 年4月28日付 北國新聞, 2020年4月30日付 日刊産業新聞、等)。(3) 実験グループと共同で、運動量空間での非自明なスピン構造が銅に色素を塗るだけで生じ、スピン変換機能を付加することを明らかにした。この成果は H. Isshiki, K. Kondou, S. Takizawa, K. Shimose, T. Kawabe, E. Minamitani, N. Yamaguchi, F. Ishii, A. Shiotari, Y. Sugimoto, S. Miwa and Y. Otani, Nano Lett. 19, 7119(2019)として、出版した。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元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] Gadjah Mada University(インドネシア)
  • 国名: インドネシア
  • 外国機関名: Gadjah Mada University
• [雑誌論文] Iron-based binary ferromagnets for transverse thermoelectric conversion (2020)
  • 著者名/発表者名: Sakai Akito、Minami Susumu、Koretsune Takashi、Chen Taishi、Higo Tomoya、Wang Yangming、Nomoto Takuya、Hirayama Motoaki、Miwa Shinji、Nishio-Hamane Daisuke、Ishii Fumiyuki、Arita Ryotaro、Nakatsuji Satoru
  • 雑誌名: Nature 巻: 581 ページ: 53～57
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2230-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles study of anomalous Nernst effect in half-metallic iron dichloride monolayer (2020)
  • 著者名/発表者名: Syariati Rifky、Minami Susumu、Sawahata Hikaru、Ishii Fumiyuki
  • 雑誌名: APL Materials 巻: 8 ページ: 041105～041105
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5143474
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin splitting with persistent spin textures induced by the line defect in the 1T phase of monolayer transition metal dichalcogenides (2020)
  • 著者名/発表者名: Absor Moh. Adhib Ulil、Santoso Iman、Yamaguchi Naoya、Ishii Fumiyuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 ページ: 155410-155410
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.155410
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Realization of Spin-dependent Functionality by Covering a Metal Surface with a Single Layer of Molecules (2019)
  • 著者名/発表者名: Isshiki H.、Kondou K.、Takizawa S.、Shimose K.、Kawabe T.、Minamitani E.、Yamaguchi N.、Ishii F.、Shiotari A.、Sugimoto Y.、Miwa S.、Otani Y.
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 19 ページ: 7119～7123
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b02619
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles Study of Spiral Spin Density Waves in Monolayer MnCl2 Using Generalized Bloch Theorem (2019)
  • 著者名/発表者名: Prayitno Teguh Budi、Ishii Fumiyuki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 88 ページ: 104705～104705
  • DOI: https://doi.org/10.7566/JPSJ.88.104705
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intrinsic persistent spin helix state in two-dimensional group-IV monochalcogenide MX monolayers (M=Sn or Ge and X=S, Se, or Te) (2019)
  • 著者名/発表者名: Absor Moh. Adhib Ulil、Ishii Fumiyuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 ページ: 115104-115104
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.115104
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electric-field-induced Z 2 topological phase transition in strained single bilayer Bi(111) (2019)
  • 著者名/発表者名: Sawahata Hikaru、Yamaguchi Naoya、Ishii Fumiyuki
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 12 ページ: 075009～075009
  • DOI: https://doi.org/10.7567/1882-0786/ab25d3
• [学会発表] First-principles Study of Anomalous Nernst Effect in The 2D Ferromagnetic Half-metal 1T-FeX2 (X = Br, Cl) (2019)
  • 著者名/発表者名: Rifky Syariati, Susumu Minami, Hikaru Sawahata and Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 22nd Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 国際学会
• [学会発表] Implementation of computing anomalous Hall conductivity for high throughput screening of magnetic thermoelectric materials (2019)
  • 著者名/発表者名: Hikaru Sawahata, Naoya Yamaguchi, Susumu Minami and Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 22nd Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 国際学会
• [学会発表] First-Principles Study of the Surface Alloys M/Ag (111)- 3× 3 R 30° (2019)
  • 著者名/発表者名: Monika Nur, Naoya Yamaguchi and Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 22nd Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles Fully Relativistic Calculations of Insulators Under Finite Electric Fields by Using the LCAO Method (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoya Yamaguchi and Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 22nd Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 国際学会