量子スピンホール効果を示す物質の探索

寻找具有量子自旋霍尔效应的材料

• 批准号: 19019004
• 负责人: 村上 修一
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 2007
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2007 至 2008
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19019004/
• 关键词: スピントロニクス; 表面・界面; ビスマス; スピンホール効果

量子スピンホール相を示す物質を、半金属ビスマスの関連物質を中心に探索した。この相は非磁性絶縁体のうちでZ_2トポロジカルナンバーが奇数であるものを探せばよい。我々は以前、1-bilayer(111)ビスマス薄膜が量子スピンホール相を示すという予想を行ったが、これは非常に単純化された模型に基づいており、実際の実験と関係付けるためには物質に即した第一原理計算が必要である。このため今年度は第一原理計算の助けを借りて精密な計算を行った。ビスマス薄膜のうち絶縁性をしめすのは(i)(111)1-bilayer薄膜、(ii){012}2-monolayer薄膜の2種であり、これらについて計算をした結果、(i)は量子スピンホール相となるが、(ii)はそうでなく通常の絶縁相であることが分かった。なお(ii)の場合は空間反転対称性がない結晶構造のため、相を同定するためのZ_2トポロジカルナンバーの計算が厄介である。これについてはいくつかの等価な計算式が知られているが、実際数値計算をしようとすると複数の方法の間に優劣が生じる。この点については格子ゲージ理論から提唱された計算の枠組みが知られており、試行錯誤の結果この計算法が非常にうまくいき、短時間で信頼できる結果が出せることが分かった。またこれらの系でのエッジ状態の計算も行い、エッジ状態の時間反転対の個数が(i), (ii)でそれぞれ奇数、偶数となり上記の相の分類と一致することを確かめた。これらのエッジ状態は、理論的に予測されているとおりスピン偏極している。スピン偏極の向きはほぼ薄膜面に垂直であるが、10-20%程度薄膜面の法線方向から傾いている。この結果は良質の薄膜が作成できれば実証可能であると考えられる。

主要搜索表现出量子旋孔相的材料，主要用于半金属纤维的相关物质。可以将此阶段搜索具有奇数Z_2拓扑数的非磁性绝缘子。我们先前预测，1-二元器（111）二晶膜表现出量子旋转孔相，该相基于一个非常简化的模型，基于材料的第一原理计算需要与实际实验相关。因此，今年我们在第一个原理计算的帮助下进行了精确的计算。在二晶膜中，两种类型的绝缘特性是（i）（111）1-纤维薄膜和（ii）{012} 2-Monolayer薄膜，这些结果的计算表明（i）是量子旋转孔相，而（ii）不是这样，但是正常的绝缘阶段。此外，在（ii）的情况下，晶体结构没有空间反演对称性，因此计算Z_2拓扑数以识别相很麻烦。为此，已知几种等效的计算公式，但是当实际尝试进行数值计算时，多种方法之间就会发生优势和自卑。在这方面已知，晶格量规理论提出的计算框架是在这方面已知的，并且反复试验表明，该计算方法可以在短时间内获得非常可靠的结果。我们还对这些系统中的边缘状态进行了计算，并确认边缘状态中的时段对数分别是奇数，并且在（i）和（ii）和（ii）和（ii）与上述相位分类相吻合。这些边缘状态被自旋偏振，因为理论上预测。自旋极化的方向大约垂直于薄膜表面，但从薄膜表面的正常方向倾斜约10-20％。如果可以产生高质量的薄膜，则可以证明此结果。

项目成果

トポロジカルな超伝導とエッジ状態

拓扑超导和边缘态

• 发表时间: 2008
• 作者: S. Murakami;M. Wada;F. Freimuth and G. Bihlmayer;村上修一;村上修一;村上修一;村上修一;村上修一;村上修一;村上修一;村上修一;村上修一;村上修一
• 通讯作者: 村上修一

Universal phase diagrams for the quantum spin Hall systems

• DOI: 10.1103/physrevb.78.165313
• 发表时间: 2008-10-01
• 期刊: PHYSICAL REVIEW B
• 影响因子: 3.7
• 作者: Murakami, Shuichi;Kuga, Shun-ichi
• 通讯作者: Kuga, Shun-ichi

量子スピンホール相と絶縁相との間の相転移

量子自旋霍尔相与绝缘相之间的相变

• 发表时间: 2008
• 作者: 村上修一;磯暁;Yshai Avishai;小野田勝;永長直人
• 通讯作者: 永長直人

ビスマスにおける量子スピンホール効果とエッジ状態の理論

铋中的量子自旋霍尔效应和边缘态理论

• 发表时间: 2008
• 作者: 小鷹浩毅;石井史之;(他5名;2番目);Shuichi Murakami;Mikito Koshino;Shinichi Tomimoto;村上修一
• 通讯作者: 村上修一

Universal phase diagram for the quantum spin Hall systems

量子自旋霍尔系统的通用相图

• 发表时间: 2008
• 期刊: Physical Review B 78
• 作者: Shuichi Murakami;Shun-ichi Kuga
• 通讯作者: Shun-ichi Kuga