Optical Control and Engineering of Electronic Properties of Two-dimensional (2D) Materials

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近年、電子エネルギーバンド構造の位相幾何学（トポロジー）的な性質から、電子材料を区別し、新しい電子相を有する物質を探索する研究が、世界中で爆発的に行われている。特に、トポロジカル絶縁体と呼ばれる物質では、物質の表面やエッジなどの境界面において、無散逸なスピン流が現れることが知られている。この特性を利用することで、超低消費電力の電子デバイスや量子計算素子への応用が期待されている。従来から知られているトポロジカル絶縁体では、スピン軌道相互作用が重要な役割を果たしている。本研究課題では、スピン軌道相互作用を導入せずに、トポロジカル相を有する物質群の設計を探求した。最初に、SSH模型を2次元正方格子系へと拡張し、そのトポロジカルな性質を解析し、ザック位相と呼ばれるトポロジカル量を評価することで、トポロジカル相転移が起きることを見出した。この成果を利用することで、C3NやBC3といった二次元物質が、ザック位相に起因するトポロジカルエッジ状態を有することを理論モデル計算と第一原理電子状態計算によって解明した。二次元SSH模型を六角格子系に拡張することで、スピン軌道相互作用や付加的な量子磁束を加えなくても、高次のトポロジカル状態を実現できることを理論的に示した。また、高次トポロジカル状態がザック位相と関係付けられることを理論的に示した。さらに、エッジに沿って電流が散逸をせずに完全に伝導する機構があるだけでなく、その逆の極限である電子をコーナーに強く局在させる機構も併存させることが可能であることを見出した。また、本成果に関連して、実験グループと共同研究を実施し、フォトニック結晶によって、コーナー状態を実現し、観測することに成功した。