Theory of band engineering on van der Waals heterostructures of atomically thin materials

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電子バンド構造の人工制御は電子の運動や相互作用の制御につながりその特性を活かした新技術・新デバイスの開発を支える基礎となる。本研究はグラフェンに代表される原子層物質の人工積層によるバンド構造制御を実現するための理論研究である。特に現在注目を集めているナノスケールのモアレパターンを含むような非整合積層系を主題として研究を進めている。研究の方向性としては(i)積層構造による電子状態制御の理論の整備、(ii)物質設計、(iii)異方的バンド平坦化による新奇物性の探索、(iv)トポロジカル平坦バンドの探究、といったものとなっている。本年度は主に(ii)、(iii)に関連して前年度から引き続き角度非整合二層BC3の研究を発展させ論文として出版することができた。単層のBC3はグラフェンに類似したハニカム格子を持ち、そのバンド構造は３バレーの半導体となっている（バレー自由度は電子の運動量に関連した自由度である）。本研究ではBC3を角度非整合二層化することによりバレーに依存した電子状態の低次元化を引き起こせることを理論的に提案した。バレー依存性はバレー自由度の制御につながりバレートロニクスと呼ばれる新世代の電子デバイス応用の基礎となる可能性を秘めている。論文においては二層BC3の結晶構造の解析と電子状態のモデル化を第一原理計算に基づき行い、構築されたモデルを解析することによりバレー依存低次元化を示している。また同じく論文中では角度非整合系で相対角度が小さい極限では電子間相互作用が顕著になりそれによる新奇量子相が実現しうることも理論的に示した。一般に人工積層系の実験状況においては基盤と対象物質の相互作用や非整合性が重要な役割を果たすことがしばしばある。それを踏まえ、(i)に関連し一般の多層系（各層の構造や相関の相互作用が自由に設定される）の電子状態を数値解析するためのプログラムを開発した。