2021 Fiscal Year Research-status Report
Novel multi-fluctuation theory by a multi-orbital higher-order many-body effect
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17K05543
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
大成 誠一郎 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (80402535)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ネマティック秩序 / ボンド秩序 / ツイスト２層グラフェン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
グラフェンを、わずかに回転して2層積層したツイスト2層グラフェンは、モアレ超格子を形成するため、ユニットセル内で、多数の炭素原子からなる巨大分子軌道が構成されます。そのため、バンド幅が狭くなり、クーロン相互作用が弱いにも関わらず、強相関電子系となる。特に魔法角（1.1°）回転したツイスト2層グラフェン（MATBG）では、超伝導相が出現するため、集中的に研究されていますが、最近、回転対称性が自発的に破れたネマティック秩序が観測された。
MATBGでは、巨大分子軌道の軌道角運動量に対応するバレー自由度が生じる。このMATBGに固有なバレー自由度は、電子固有のスピン自由度と同様な回転操作が可能であり、SU(2)対称性を持つ。MATBGではスピンの自由度とバレーの自由度がほぼ対等であり、両者を混ぜ合わせるような高次元の回転操作が可能となる。すなわち、バレー＋スピンの複合自由度(4自由度)を考えると、この複合自由度はSU(4)対称性を持つ。固体物理において、このような高次元の対称性が実現する例は珍しく、従来の強相関電子系では実現しない相転移現象（＝自発的対称性の破れ）や創発現象が自然に期待される。
我々は、MATBGのSU(4)対称性に着目し、この系のネマティック秩序を解析した。そして、バレー＋スピンの複合自由度の量子揺らぎ（バレー＋スピン）が発達する強相関領域において、分子軌道間の飛び移り積分が自発的に変調する、ボンド秩序が起きることを見出した。ボンド秩序により、MATBGの持つ3回対称性が自発的に破れた、実験と対応するネマティック状態が生じる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
鉄系超伝導体や銅酸化物においては、高次多体効果であるスピン揺らぎの干渉機構によりネマティック秩序が発現する。我々が研究したツイスト２層グラフェンにおいては、グラフェンに特徴的なバレー自由度があるため、高次対称性であるSU(4)対称性が表れる。そのため、スピン自由度とバレー自由度の複合自由度に対するSU(4)揺らぎを考えることで、新しい多チャンネルの揺らぎが干渉する機構を見いだした。このSU(4)揺らぎ干渉機構はネマティック秩序の発現に非常に有利である。従来の強相関電子系における３チャンネルのスピン揺らぎ干渉機構に比べて、干渉に寄与する揺らぎは１５チャンネルあることが大きな違いである。このように従来の鉄系超伝導体や銅酸化物にはない、高次多体効果を見いだした本研究は計画以上に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
新規強相関電子系であるツイスト２層グラフェンのネマティック秩序がSU(4)揺らぎ干渉機構によるボンド秩序で説明出来ることを示した。このネマティック秩序近傍で超伝導状態が現れるため、超伝導発現機構とネマティック秩序が関係していることが予想される。超伝導発現機構として、ネマティック秩序近傍で発達するネマティック揺らぎを考えることで、ツイスト２層グラフェンの超伝導状態を解明することを目指す。また、ツイスト２層グラフェンにおいて、ネマティック秩序近傍で非フェルミ流体的輸送現象が観測されているため、ネマティック量子相転移点近傍における、輸送現象の研究も行う予定である。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響により旅費を使用することが出来なかったため。
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