理学部 物理学科 物性理論教室
Condensed Matter Theory Laboratory
|
■ 概要
|
はじめに
|
|
当研究室では，主として固体中の電子の挙動によって決められる物性を，理論的に研究している。特に，通常の3 次元的物質とは異なる性質を示す低次元物質（電子の運動できる空間が1 次元や2 次元に制限されているもの，構造上2 次元系として近似できる系等）の研究に力を注いでいる。物質中の不純物や不規則構造に電子が散乱されること等，物質の不規則性が物性にどの様に反映されるか，低次元物質に特有の局所的励起が物質の伝導特性にどの様な影響を及ぼすか等に関して，様々な成果を得ている。今年度からは、大江講師が加わり、スピントロニクスの理論的研究で多くの成果を上げている。最近では，グラフェンや有機導体などの相対論的ディラック電子に対する研究も行っている。
|
|
１．2次元系におけるマルチモード・パイエルス状態
|
|
2次元電子-格子系で，格子構造が正方格子の場合，電子バンドが半充填ならば，電子状態を表す波数空間におけるフェルミ面（2次元なので正確には「線」）が正方形となり，ネスティングベクトルと呼ばれる波数ベクトル分だけ波数をずらすことで，フェルミ面上の異なる部分が完全に重なる。このような状況では，1次元系と同様に低温でパイエルス転移が起こり，電子格子相互作用に起因する自発的格子歪み（パイエルス歪み）が生成されることが期待されている。当研究室における研究によって，この場合の基底状態におけるパイエルス歪みは，ネスティングベクトルの成分だけでなく，それに平行な波数ベクトル成分をも含む，マルチモード型の歪みになることが明らかにされた。しかし，実験的な証拠は観測されていない。その理由の１つとして，現実の系が，等方的な正方格子モデルで記述されないことが考えられる。そこで，平成20年度には，有機導体などで見られる異方的三角格子系での可能性を調べるために，正方格子の対角方向にも電子の飛び移りが可能なモデルで，基底状態の数値解析を行い，斜め方向の結合があまり強くなければ，マルチモードパイエルス状態が基底状態として生き残ることを確認した。また，斜め方向の結合により，正方格子で見られた基底状態の縮退が解けることも示された。平成２１年度には，同じ系を高温領域におけるフォノンのソフト化の観点から調べ，斜め方向の結合が入ることによって，降温時に最初にソフト化するモードは低温相におけるマルチモード歪みと必ずしも一致しないことを見出した。こうした異なる格子への拡張以外にも、正方格子模型の場合について波動関数のトポロジカルな性質についても調べた。その結果、格子歪みと波動関数の量子化されたベリー位相が対応することが明らかとなった。これは、マルチモードパイエルス状態がトポロジカルに安定であり、異なる格子歪みのパターン間には必ず量子相転移が存在することを意味している。こうした研究の進展を踏まえ、昨年度は磁場に対する安定性や、転移点近傍の比熱の振る舞いを具体的に調べ、マルチモードパイエルス状態への転移に際しては、比熱に大きな異常性がみられることを明らかにした。現在、こうした比熱に対する電子間相互作用の効果についても研究を進めている。
|
|
２．相対論的ディラック電子系のランダウ準位におけるランダムネスの効果
|
|
グラフェン（単層グラファイト）はその特異なバンド構造により、磁場の強さによらずフェルミ準位にランダウ準位を形成することが知られている（n=0ランダウ準位）。このグラフェン特有のn=0ランダウ準位に対するランダムネスの効果を格子模型を用いて具体的に調べている。これまで、グラフェンのリップルによって生じる最近接ホッピング積分に対する乱れのような、カイラル対称なランダムネスの場合、ランダムネスの空間相関が格子間隔よりも長くなると、n=0ランダウ準位は”デルタ関数型”の状態密度を示し、これに伴う量子ホール転移に異常性が表れることを示してきた。この異常性は、n=0ランダウ準位ににみ起こり、他のランダウ準位には起こらない。また、このような異常性は、ランダムポテンシャルのように、カイラル対称性を破るランダムネスに対しては起こらないことも確認している。実験から、グラフェンのリップルは格子間隔に比べて大きなスケールを持つことがわかっており、我々の結果は、リップルによるカイラル対称な乱れではn=0ランダウ準位に幅がつくことは無く、実験的に観測されているn=0準位の幅は、カイラル対称性を破る他の乱れによって生じていることを示唆している。昨年度は、こうしたn=0ランダウ準位における異常性がどの程度一般的に見られる現象なのかを次近接ホッピングなどの効果を取り入れて検証した。チャーン数の計算からホール伝導度を評価した結果、こうした異常性は次近接ホッピングがあっても存在すること、ディラックコーンが少しぐらい傾いても簡単には消失しないことなどが定量的に明らかとなった。平成２３年度は、このようなn=0ランダウ準位の異常性が有機導体などにみられる傾いたディラックコーンにおいてもみられるはずであることを数値的および解析的に示すことができた。コーンが傾くと、これまで考えられていたカイラル対称性が破れてしまうが、傾いたコーンを含むようにカイラル対称性が一般化できること、この一般化されたカイラル対称性が保存していれば、ゼロモードランダウ準位に異常性が生じることを示すことができた。
|
|
■ Keywords
|
マルチモード・パイエルス状態, 2次元スピン・パイエルス状態, 不規則系, 電子拡散, グラフェン, カイラル対称性, スピントロニクス
|
|
■ 当該年度の研究費受入状況
|
1.
|
文部科学省科学研究費補助金 基盤研究（C）
研究課題：特異なバンド構造を持つ低次元電子系の輸送特性における乱れの効果
(研究代表者：河原林透)
研究補助金：600000円 (代表)
|
|
2.
|
文部科学省科学研究費補助金 基盤研究（B）
研究課題：幾何学的位相による物質相：量子液体およびグラフェンでの応用と展開
(研究分担者：河原林透)
研究補助金：1200000円 (分担)
|
|
■ 当該年度研究業績数一覧表
| 研究者名 |
刊行論文 |
著書 |
その他 |
学会発表 |
その他
発表 |
| 和文 | 英文 |
和文 | 英文 |
国内 | 国際 |
筆
頭 | 共
著 | 筆
頭 | 共
著 |
筆
頭 | 共
著 | 筆
頭 | 共
著 |
筆
頭 | 共
著 |
演
者 | 共
演 | 演
者 | 共
演 |
演
者 | 共
演 |
|
河原林 透
教授
理学博士
|
| | 1 | |
| | | |
| |
2
|
3
|
3
|
|
|
|
|
大江 純一郎
講師
|
| | 1 | 3 |
| | | |
| |
|
|
|
|
|
|
| 計 |
0 | ／ | 2 | ／ |
0 | ／ | 0 | ／ |
0 | ／ |
2
(0) | ／ |
3
(0) | ／ |
0
(0) | ／ |
|
| 研究者名 |
刊行論文 |
著書 |
その他 |
学会発表 |
その他
発表 |
和
文 | 英
文 |
和
文 | 英
文 |
国
内 | 国
際 |
筆
頭 | 筆
頭
| 筆
頭 | 筆
頭
| 筆
頭 |
演
者 | 演
者
| 演
者 |
|
河原林 透
教授
理学博士
|
| 1 |
| |
|
2
|
3
|
|
|
大江 純一郎
講師
|
| 1 |
| |
|
|
|
|
| 計 |
0 | 2 |
0 | 0 |
0 |
2
(0) |
3
(0) |
0
(0) |
|
|
( )：発表数中の特別講演、招請講演、宿題報告、会長講演、基調講演、受賞講演、教育講演(セミナー、レクチャーを含む)、シンポジウム、パネル(ラウンドテーブル)ディスカッション、ワークショップ、公開講座、講習会
|
( )：発表数中の特別講演、招請講演、宿題報告、会長講演、基調講演、受賞講演、教育講演(セミナー、レクチャーを含む)、シンポジウム、パネル(ラウンドテーブル)ディスカッション、ワークショップ、公開講座、講習会
|
|
■ 刊行論文
|
原著
|
|
1.
|
Yuta Yamane, Jun’ichi Ieda, Jun-ichiro Ohe, Stewart E. Barnes, Sadamichi Maekawa：
Spinmotive Force Due to Intrinsic Energy of Ferromagnetic Nanowires.
Applied Physics Express
(4)
：093003
, 2011
|
|
2.
|
T. Kawarabayashi, Y. Hatsugai, T. Morimoto, H. Aoki：
Generalized chiral symmetry and stability of zero modes for tilted Dirac cones.
Physical Review B
83
：153414
, 2011
|
|
3.
|
Masamitsu Hayashi, Junichi Ieda, Yuta Yamane, Jun-ichiro Ohe, Yukiko Takahashi, Seiji Mitani and Sadamichi Maekawa：
Time domain observation of spinmotive forces in permalloy nanowires.
Physical review letters
108
：147202
, 2012
|
|
■ 学会発表
|
国内学会
|
|
1.
|
◎本田貴大、初貝安弘、青木秀夫、河原林透：
フェルミオン・ダブリングのないディラック電子のランダウ準位に対するランダムネスの効果.
日本物理学会第６７回年次大会,
関西学院大学、西宮,
2012/03
|
|
2.
|
◎河原林透、初貝安弘、青木秀夫：
電場中の２層グラフェンにおけるゼロエネルギーランダウ準位のトポロジカルな安定性.
日本物理学会第６７回年次大会,
関西学院大学、西宮,
2012/03
|
|
3.
|
◎小林浩二、大槻東巳、K.Slevin、河原林透：
Critical conductance distribution at the integer quantum Hall transitions in tight-binding model and Chalker-Coddington model.
日本物理学会第６７回年次大会,
関西学院大学、西宮,
2012/03
|
|
4.
|
◎広瀬大記, 河原林透, 小野嘉之：
二次元電子格子系のマルチモード・パイエルス転移に伴う比熱の温度変化.
日本物理学会２０１１年秋季大会,
富山, 日本,
2011/09
|
|
5.
|
◎河原林透, 初貝安弘, 森本高裕, 青木秀夫：
傾いたディラック・コーンにおけるゼロモードのトポロジカルな安定性 ---カイラル対称性の非エルミートな一般化---.
日本物理学会２０１１年秋季大会,
富山, 日本,
2011/09
|
|
国際学会
|
|
1.
|
◎T. Kawarabayashi, Y. Hatsugai, T. Morimoto, H. Aoki：
Generalization of chiral symmetry for two-dimensional massless fermions with tilted Dirac cones.
Localisation 2011,
Pohang, Korea,
2011/08
|
|
2.
|
◎T. Kawarabayashi, Y. Hatsugai, H. Aoki：
Anomalous density of states in Landau levels of bilayer graphene with disorder.
the 19th International conference on Electronic Properties of Two-Dimensional System (EP2DS-19),
Tallahassee, Florida, USA,
2011/07
|
|
3.
|
◎T. Kawarabayashi, Y. Hatsugai, T. Morimoto and H. Aoki：
Robustness of zero modes and generalised chiral symmetry for tilted Dirac cones with disorder.
Graphene week 2011,
Obergurgl, Austria,
2011/04
|
|
