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

二维（2D）材料电子特性的光学控制和工程

基本信息

批准号：
17F17326
负责人：
若林克法
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Kwansei Gakuin University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-11-10 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-17F17326/
关键词：
トポロジカル物質トポロジカルフォトニクスコーナー状態高次トポロジカル状態グラフェン原子膜原子膜物質ザック位相バレートロニクス電子デバイストポロジカル状態 Zak位相 tight-binding model エッジ状態原子層物質フォトニック結晶円偏向電磁場

项目摘要

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。

近年来，在世界各地进行了爆炸性的研究，将电子材料与电子能带结构的拓扑特性区分开，并使用新的电子相探索材料。特别是，众所周知，非缺血性自旋电流出现在材料中材料的表面和边缘等边界表面。通过利用此特性，预计将应用于超低功率电子设备和量子计算设备。自旋轨道相互作用在传统已知的拓扑绝缘子中起重要作用。在本研究主题中，我们探索了具有拓扑阶段的材料的设计，而无需引入旋转轨道相互作用。首先，我们发现，通过将SSH模型扩展到二维平方晶格系统，分析其拓扑特性并评估称为Zack相的拓扑量来进行拓扑相变。通过利用此结果，我们阐明了一个事实，即通过理论模型计算和第一原理电子状态计算，二维材料（例如C3N和BC3）具有由Zack相引起的拓扑边缘状态。从理论上讲，通过将二维SSH模型扩展到六角形晶格系统中，可以在没有自旋轨道相互作用或其他量子磁通量的情况下实现高阶拓扑状态。从理论上讲，高阶拓扑状态与Zack相有关。此外，已经发现，不仅有一种机制，即电流在不沿边缘消散的情况下完全进行，而且还可以与一种机制共存，在这种机制中，电子（相反的极限）强烈定位在角落上。此外，与这一结果有关，我们与实验组进行了联合研究，并使用光子晶体成功地实现了角状态并观察它们。