グラフェンリボンのトポロジカル局在電子から創発する新奇物性機能の開拓

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グラフェンナノリボン(GNRs)は近年、原子精度で精密に合成する技術の発展と特異的な物性の理論的発見により、新たなデバイス応用への可能性が期待されている。理論的発見として、GNRsの終端や接合において電子状態が局在するという特異な性質を持つことが認識され、一次元のトポロジカル絶縁体の性質を持つとして注目を集めている。そこで、私はGNRsを用いて更なる新規物性・機能を開拓するため、GNRsやその構造体であるGNRネットワークの電子物性を明らかにする研究を行なった。2022年度は主として、グラフェンナノリボンの接合を周期的に配置したハニカムネットワークの電子状態の研究を推進した。接合に局在する電子数により、1電子局在GNRネットワークや2電子局在GNRネットワークと名づけ、電子間相互作用の大きさとドープ量をパラメータとして秩序構造を明らかにした。その結果、 1電子局在GNRネットワークにおいては、反強磁性・強磁性・電荷密度波が現れることを明らかにした。2電子局在GNRネットワークにおいては、スピン・電荷の秩序に加えて、軌道が秩序することを明らかにした。また、電子間相互作用の大きさやドープ量により、スピン・電荷・軌道が絡み合った多岐にわたる秩序構造が現れることを明らかにした。本研究は、電子間相互作用を含めたトポロジカル局在電子に注目することにより、トポロジカル物理と強相関電子系の学理を発展させるものである。さらに、本研究の成果は、応用分野へと波及が期待される。GNRsやその構造体などトポロジカルな頑強性を併せ持つ低次元物質という新たな物質群を提案することで、グラフェンの高移動度性に加えて、透明で折り曲げることができるやわらかい強相関電子デバイス開発に貢献すると期待される。本研究で確立される新たな知見は、基礎・応用の広範な領域に対して重要な意味を持つものである。