強相関量子科学|プロジェクト概要
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強相関量子科学 / Quantum Science on Strong Correlation

プロジェクト概要

中心研究者からの挨拶


  • “More is different.”という高名な物性理論家フィリップ・アンダーソンの言葉があります。これは、たくさんあるということは1個のものと本質的に違うということを言っています。例えば物質の究極の形を深く追っていく学問があると同時に、ある粒子――それは分子でもいいし、原子でもいいし、電子でもいい――それ自体がいろんな多自由度を持ってたくさんあるということは、非常に新しい、質的に新しい概念が必要になります。それは1個の研究からは決して到達できないような範疇のものになります。強相関量子科学においては、まさにこの学理の解明とその先端工学への応用を視野にプロジェクトを実施します。

    中心研究者  十倉 好紀
  • tokura
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プロジェクト概要


  • 固体中で強く相互作用する多数の電子:強相関電子系は、従来の半導体・金属物理学の延長では説明不能な多くの驚くべき物性・機能応答の創発(emergence)を示します。 本プロジェクトではこれら強相関電子のもつ多自由度の絡み合いを制御して、エネルギーの高効率変換やエネルギー消費を伴わない量子状態(情報)の制御など、 未踏かつ革新的な電子物性機能を創製することを目的とします。
  • 具体的には
    (A)モットロニクス基礎(強相関電子系の金属・絶縁体相転移をナノスケールで利用する技術学理)
    (B)強相関創発物性(電気-磁気-熱-光の相互の入出力応答の巨大化)
    (C)エネルギー非散逸性電子技術原理(スピン流、分極電流などのエネルギー非散逸性量子流を利用)
    の重要課題の3つのサブテーマについて、最先端の(a)量子設計理論、(b)物質創製・物性開拓、(c)量子ビーム(軌道放射光・中性子)計測 などの手法を戦略的かつ包括的に 重畳させることで、独創的な物性科学の構築と未踏技術原理の検証を行います。
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組織図 (2013年4月最新版)


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研究の実施状況

  • 平成24年度における研究の実施状況

     
    • 平成24年度は各サブテーマに関し以下に示す進捗があった。
    • 「モットロニクスの基礎」では、太陽電池や相転移デバイスに関した理論研究を継続し、さらに新奇なトポロジカル絶縁相の実現を提案した。強電界効果では、Co酸化物で室温での高いオンオフ比、赤外線透過率制御をVO2で実証し、MoS2における電界誘起超伝導を発見した。界面デバイスでは、電場変調分光学法や誘電緩和法で電子状態の変調を検出した。プロセス開発では、MBE法による高品質酸化物界面の形成と、撥水性表面に有機ポリマー半導体の印刷による製膜技術の開発に成功した。
    • 「強相関創発物性」では、薄膜によるスキルミオン格子形成の安定化、新スキルミオン格子の発見、及び高性能熱電材料の開発を達成した。MnおよびV酸化物において、それぞれ、磁気秩序と誘電性、磁気秩序と軌道秩序の巨大結合を明らかにした。レーザー励起角度分解光電子分光装置の改良を進め、鉄系超伝導体の観測、トポロジカル絶縁体表面の電子構造、有機導体における準粒子分散の初観測等に成功した。共鳴X線散乱やX線吸収測定により、絶縁体-金属転移、強誘電性転移、磁気抵抗効果に伴う電子状態変化を観測した。
    • 「エネルギー非散逸性電子技術原理」では、トポロジカルスピン構造スキルミオンの電流誘起運動の理論を発展させ、散逸が極小に抑えられる理由をつきとめた。トポロジカル絶縁体Bi2Se3の表面状態を第一原理的に解析し電子構造、スピン構造を明らかにした。ラシュバ半導体BiTeIのShubnikov-de Haas 振動の測定を行い、3次元スピン偏極バンドに存在するベリー位相を検出した。パイロクロア型5d遷移金属酸化物のall-in-all-out磁気構造の特異な磁気応答を理論的に予言し、実験的にドメインの制御と観測技術を進展させた。超伝導理論では、マヨラナ粒子操作法の提案、密度汎関数法の開発と応用を行った。
    • 平成24年度収支状況の概要

      収支状況 H24年度
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    平成23年度における研究の実施状況

     
    • 「モットロニクスの基礎」に関しては、応用を強く意識して理論と実験の両面から系統的な研究を推進した。強相関太陽電池の動作原理を理論検証し、 モット絶縁体中での少数キャリアの挙動を実験的に初めて明らかにした。また、モット転移が片方のスピンバンドでのみ発生する系を理論的に見いだした。強誘電バリアを 用いた抵抗変化型メモリで、10万回以上の繰り返しを実証した。VO2絶縁膜に強電界を印加したところ、遮蔽長より桁で深いチャネル全体が金属化した。 インクジェット法、MBE法による各種薄膜の高品質合成に成功し、今後の発展への大きな駆動力を得た。
    • 「強相関創発物性」においては、ローレンツ電子顕微鏡を用いて絶縁体Cu2OSeO3のスキルミオン格子の実空間観測に成功、 付随する分極の発生を明らかにした。また、磁気的なBサイトが変位する誘電体の大きな分極、強い分極‐磁性結合の存在を示した。CuFeO2 の不整合らせん磁気秩序に伴う強誘電分極は、軌道秩序も伴っていることを共鳴X線散乱法により明らかにした。さらに、強誘電体TTF-CAにおいて、分子の変位ではなく、 電子系の変位がマクロな分極を決定していることを明らかにした。
    • 「エネルギー非散逸性電子技術原理」においては、Rashba効果を示すトポロジカル電子物質BiTeIの理論を発展させ、実験グループと協力して諸物性に現れる Rashba分裂効果を明らかにし、また圧力下でのトポロジカル絶縁体への転移を予言した。スキルミオン結晶のダイナミックスをローレンツ顕微鏡観測と、 創発電磁気学に立脚した理論の双方から研究し、極めて低い臨界電流密度でその運動が駆動されることを見出した。トポロジカル絶縁体に磁性不純物Mnをドープし、 表面状態に由来する強磁性を見出した。X線回折顕微法で100K までの低温領域でのスピン・電荷・軌道の超構造のマッピング観測に成功した。
    • 平成23年度収支状況の概要

      収支状況 H23年度
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    平成22年度における研究の実施状況


    • 平成22年度は3つのサブテーマに関して以下のような進捗があった。
    • 「モットロニクスの基礎」に関して、その根幹技術であるヘテロ接合系の金属絶縁体転移について、理論と実験の両面から基礎を固める研究を推進した。 各種の重要な系でのモット転移を理論的に詳細に調べ、材料選択やデバイス構造設計指針を明らかにした。また、強相関太陽電池の理論基盤を確立し、その基本動作を検証した。 さらに超格子を含む薄膜技術を駆使し、モット転移の実証を行った。また電気二重層を用いたトランジスタの研究を推進し、従来と異なる動作原理によるモットトランジスタの 実証に成功した。
    • 「強相関創発物性」においては、ローレンツ電子顕微鏡を用いて(FeCo)Si、FeGeにおいてスキルミオン格子の実空間観測、相安定性を調べた。 また、層状遷移金属ニクタイドの合成に成功し、熱電性能指数を最適化した。また転移温度の制御されたW:VO2薄膜において、熱調光機能を実証した。 さらに金(111)単結晶上の鉄薄膜の角度分解光電子分光によってスピン軌道円二色性増大を見出した。白金に対して円偏光軟X線角度分解光電子分光を行い、 バンド分散におけるスピン偏極に関する知見を得た。層状コバルト酸化物に対して、その磁気状態を明らかにした。また、層状銅フッ化物に対して共鳴非弾性軟X線散乱を行い、 オービトンの検出に成功した。
    • 「エネルギー非散逸性電子技術原理」においては、電子状態計算のプログラムの開発と高速化に取り組み、 これを活用してBiTeIの巨大スピン分裂の起源とする諸物性を計算した。トポロジカル絶縁体に関して特異な電気磁気結合、また超伝導体との近接効果とアンドレーフ反射の理論を 発展させた。放射光X線や中性子回折を用いてMnGe YMnO3等の結晶構造・磁気構造を決定した。 X線回折イメージングではビーム径100nmで1010/sを超える光子束を達成した。
    • また、研究成果の公布のために理論フォーラムトピカルミーティングと国際シンポジウムの2つの国際会議を主催した。 また年度毎の研究成果概要をまとめた。
    • 平成22年度収支状況の概要

      収支状況 H22年度
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    平成21年度における研究の実施状況


    • 平成21年度はプロジェクト開始が平成22年3月10日、終了が平成22年3月31日までであり、具体的な研究成果を得るには至ってないが、 支援体制固めと平成22年度からの本格的研究活動の始動に向けて準備を行った。研究支援に関して平成22年3月24日の午後、理化学研究所和光研究所において、 共同実施機関との間の協定書(覚書)ならびに今後必要となる共同研究契約などに関する打ち合わせを行った。平成21・22年度実施計画のために大型装置の予備検討を行い、 また研究の流れに応じた研究項目の設定、工程等について検討をおこなった。
    • 予算の実行を伴った、実質的な活動としては3月30日-31日に渡って、仙台市においてキックオフ会議を行った。 本研究課題に関する主たる実施者、協力者が一堂に会し、強相関量子科学に関する現状と今後の計画について講演し議論をおこなった。 またこの機会に本研究課題のサブテーマリーダー川崎教授の本務先である東北大学原子分子材料科学高等研究機構・金属材料研究所/超構造薄膜化学研究部門の 研究室見学会を実施した。
    • 平成21年度収支状況の概要

      収支状況 H21年度
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