研究活動

先端物質創成 | 量子ビーム分光 | 量子相制御 | 理論物質設計

理論物質設計

High-ZT-low-dimensional thermoelectric materials

We have theoretically demonstrated that graphene nanoribbons randomly covered with heavy adatoms and nanopores can be ideal materials for thermoelectric applications. The adatoms locally enhance the spin-orbit coupling in the host graphene, thereby converting it into a 2D topological insulator. The resulting helical edge states are robust against external perturbations and can generate a highly optimized thermo-power. The array of nanopores, on the other hand, impedes the lattice thermal conduction and, thus, further enhances the thermoelectric performance. [Nano Letters 14, 3779 (2014)].

Two-dimensional electron gas system SrTiO3

Two-dimensional electron gases in SrTiO3 have become model systems for engineering emergent behavior in complex transition metal oxides. Combining angle-resolved photoemission spectroscopy and realistic tight-binding supercell calculations, we have uncovered how quantum confinement and inversion symmetry breaking collectively tune the delicate interplay of charge, spin, orbital and lattice degrees of freedom in this system [Nature Communications 5, 3414 (2014)]. 

Bulk Rashba semiconductors

Polar semiconductors BiTeX (X=Cl, Br and I) represent a unique family of strongly spin-orbit coupled systems in which the bulk electronic states exhibit an extremely large Rashba spin splitting around the energy gap. Our first-principles calculations combined with various experimental techniques, including angle resolved photoemission spectroscopy, magneto transport and optical measurements have revealed a number of features, characteristic of these materials such as distinct quantum confinement phenomena at the surface, divergent orbital dia-paramagnetism, enhanced magneto-optical effect, and non-trivial spin-Berry’s phase. We have also predicted an unconventional topological phase transition in these systems under the application of hydrostatic pressure [Nature Material s 10, 521 (2011); Phys. Rev. B 84, 041202(R) (2011); Phys. Rev. Lett. 108, 247208 (2012); Phys. Rev. Lett. 109, 167401 (2012); Nature Communications 3, 679 (2012); Phys. Rev. Lett. 110, 086402 (2013); Science 342, 1490 (2013)].

ワイル物質の磁壁に現れるトポロジカルな新しい2次電子系

ワイル電子と呼ばれる相対論的なワイル方程式に従う電子状態が、その特異な伝導や電磁気応答によって注目を集めています。ワイル電子が持つ特異な性質の一つに、固体表面にぶつかるとMOSFETのような2次元金属状態を形成することがあります。

我々はワイル電子が現れると理論的に予測されているイリジウム酸化物磁性体 R2Ir2O7 (R: 希土類元素)の磁壁において、ワイル電子が2次元金属状態を形成することを発見しました。通常ワイル電子が示す表面状態とは異なり、ワイル電子が対消滅した後も結晶の対称性によって守られたトポロジカルな金属状態が持続します。この磁壁金属状態は半導体界面にかわる、磁場によって制御可能な新しい2次元電子系を与えています。 [Phys. Rev. X 4, 021035 (2014) ]

第一原理電子状態計算による量子スピン液体の探索

強相関物質における多体電子系の磁性や超伝導は、電子の零点振動とクーロン相互作用の低エネルギー(数百ケルビン以下)における競合によって決定されます。多体電子のシュレディンガー方程式を直接コンピューターを用いて解く場合、このような小さなエネルギー尺度での高精度計算は未だに挑戦的な課題となっています。我々はこの困難を克服するため、第一原理電子状態計算によって計算された10万ケルビンにおよぶ高エネルギー尺度で振る舞う電子の影響を繰り込み、数百ケルビンの低エネルギーを記述するための有効ハミルトニアンを構成しています。構成された低エネルギー有効ハミルトニアンは、自由度が大幅に削減されおかげで、様々な最先端の数値アルゴリズムによって取り扱うことが可能になります。

最近、我々は量子スピン液体の候補物質として注目されているイリジウム酸化物 Na2IrO3 の有効模型を導出し数値的に解析しました。結果、実験で観測された磁気的な性質や比熱等の熱力学量の温度依存性を再現することに成功しています。さらに、どのように量子スピン液体を現実物質で実現するかの理論的物質設計指針を与えることが可能となりました。