多自由度系における新奇トポロジカル相の理論的探索

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2020年度は主として、グラフェンの類縁物質であるグラファイン系の電子状態の研究を推進した。グラファインは、ベンゼン環とポリイン鎖からなる炭素の2次元物質である。そしてポリイン鎖の長さがNであるものをグラファインNと呼ぶ。近年、グラファイン系としては初めて合成されたグラファイン2がABC積層と呼ばれる3次元積層構造を取っていることが実験的に示された。さらにこのABC積層グラファイン2はトポロジカルノード線半金属であることが示され、そのノード線はトポロジカル不変量であるモノポールチャージによって特徴づけられることが理論的に指摘された。このモノポールチャージが実現するためには、偶パリティを持つバンド2つと奇パリティを持つバンド2つによるバンド反転が必要であり、合計4成分の電子軌道が関与する多成分性が重要な役割を果たしているといえる。このようなグラファイン2の性質を背景として、本研究では一般のグラファインNの電子状態とそのトポロジカル特性を系統的に探索した。その結果、単層及びABC積層グラファインNの電子状態はNの偶奇によって大別されることを明らかにした。特にABC積層系ではNが奇数の場合、ベリー位相で特徴づけられる従来のノード線半金属となるのに対し、Nが偶数の場合にはモノポールチャージをもつ新しいタイプのトポロジカルノード線半金属となることを明らかにした。さらに本年度はグラファイン系に加えて、グラフェンナノリボンとそのネットワーク系のトポロジカル特性や、リンの２次元物質の一種である単層黒リンの電子状態の研究も推進した。