軌道自由度と空間反転対称性の破れが創出する奇パリティ多極子秩序の理論

轨道自由度产生的奇宇称多极序理论与空间反演对称性破缺

基本信息

批准号：
20J21838
负责人：
大岩陸人
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Meiji University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は、電子のスピンや軌道、副格子などの複数自由度の絡み合いが創出する奇パリティ多極子秩序と交差相関物性の性質を理論的に解明することである。本研究ではこれまでに、分子や結晶のあらゆる電子自由度を表現できる対称性適合多極子基底の生成アルゴリズムが得られている。そこで本年度は、対称性適合多極子基底を用いて第一原理電子状態計算に基づく有効模型の自動生成手法を開発した。模型ハミルトニアンは多極子基底の線形結合で表現され、各重みはモデルパラメータに対応する。第一原理計算で求まるエネルギーバンド分散を再現するように各基底の重みを最適化することで、第一原理計算に基づく有効模型を構築できる。本手法で得られる有効模型はワニエ関数を用いて求まる従来のものとは異なり、系の対称性を厳密に満たし、かつ近接サイト間の電子ホッピングのみを含むため、単位格子数個分のコンパクトな範囲に収まる。そのため、模型構築や電子格子相互作用等の計算コストの軽減が期待できる。上述のアルゴリズムをまとめた論文は投稿段階であり、計算パッケージとして公開を予定している。また、本手法の解説記事はアグネ社の固体物理誌上セミナーに掲載予定である。さらに、本手法を用いることで固体中の隠れた多極子自由度とその演算子表現を明らかにできる。実際に本手法を用いて、カイラル物質を特徴づける微視的カイラル度の記述方法を明らかにし、その定量的評価を行った。まず、カイラル結晶の典型物質である単体Teの有効模型を生成した結果、微視的カイラル度に対応する局所的および遍歴的な電気トロイダル単極子がハミルトニアンで最も支配的な寄与であることを定量的に明らかにした。また、電気トロイダル単極子の存在下ではカイラル結晶特有の電場誘起格子回転歪みが金属・絶縁体問わず生じる可能性を示した。得られた成果はPhys.Rev.Lett.(APS)にて出版済みである。

这项研究的目的是从理论上阐明电子自旋、轨道和亚晶格等多个自由度纠缠所产生的奇宇称多极序性质和互相关物理性质。在这项研究中，我们迄今为止获得了一种生成对称兼容多极基的算法，该多极基可以表示分子和晶体中所有电子自由度。因此，今年，我们开发了一种基于第一原理电子结构计算、使用对称兼容多极子基础自动生成有效模型的方法。模型哈密顿量表示为多极基的线性组合，每个权重对应一个模型参数。通过优化每个基的权重来重现第一性原理计算确定的能带色散，可以构建基于第一性原理计算的有效模型。该方法得到的有效模型与使用Wannier函数建立的传统模型不同，它严格满足系统的对称性，并且只包括附近位点之间的电子跳跃，因此它足够紧凑，可以容纳多个晶胞落入其中。范围。因此，预计模型构建和电子晶格相互作用的计算成本将会降低。总结上述算法的论文正处于提交阶段，计划以计算包的形式发布。此外，一篇解释该方法的文章计划在 Agne 的固体物理杂志的研讨会上发表。此外，通过使用这种方法，可以揭示固体中隐藏的多极自由度及其算子表达式。利用该方法，我们阐明了描述表征手性材料的手性微观程度的方法，并进行了定量评估。首先，通过生成简单 Te（手性晶体的典型材料）的有效模型，我们量化了与微观手性程度相对应的局部和流动电环形单极子是对哈密顿量的最主要贡献。我们还表明，在存在电环形单极子的情况下，电场引起的晶格旋转畸变（这是手性晶体的特征）可以发生在金属和绝缘体中。所得结果发表在Phys.Rev.Lett.(APS)上。