競争的研究費の研究課題 - 杉本　高大

テンソルネットワークによる低次元強相関電子系の超高速分光シミュレーション

2023年04月

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2027年03月

日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 杉本 高大, 基盤研究(C), 補助金,  研究代表者

電子ドープ型銅酸化物高温超伝導体における擬ギャップ現象の核磁気共鳴法による解明

2021年04月

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2024年03月

日本学術振興会, 科学研究費助成事業 基盤研究(C), 深澤 英人, 大濱 哲夫, 川股 隆行, 杉本 高大, 基盤研究(C), 研究分担者

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銅酸化物高温超伝導体はその発見以来、母物質である反強磁性モット絶縁体にキャリアを注入することにより超伝導が発現すると考えられてきた。しかし、近年Nd2CuO4構造いわゆるT’構造をもつ電子ドープ型高温超伝導体において、過剰酸素を取除くことにより、電子をドープしなくても超伝導が発現する可能性が示された。しかし、一方で実験的に示されてきたこのノンドープ超伝導は、実は酸素がCuO2面から取り除かれ電子ドープが起こっており、その超伝導は従来通りのドープされたモット絶縁体としての高温超伝導であるとも、最近の研究では指摘されている。また、これまでにT'型の銅酸化物高温超伝導体においても擬ギャップ現象が本質的に存在することが明らかになってきており、この擬ギャップの起源を探ることが本研究課題の重要な目標である。さらに、擬ギャップ現象と関連して強相関電子系における量子臨界現象と磁性について研究することも重要であり、本年度は周辺物質に関しても研究を行なった。
銅酸化物に関しては、T’-LE(S,C)COに注目し、系統的に63,65Cu核、139La核のNMR測定を行ない、超伝導対称性および反強磁性ゆらぎの有無・強さを明らかにした。また、重い電子系超伝導体Ce3PtIn11の二段磁気転移におけるq構造をtransferred hyperfine fieldを用いることにより、明らかにした。さらに、単体金属であるalpha-Mnの圧力誘起磁気秩序相における磁気構造についてゼロ磁場NMRの周波数の圧力依存から論じ、フェリ磁性的なモデルが他の実験結果と矛盾しないことを示した。

強結合励起子凝縮系物質のプリフォームドペア状態と非平衡ダイナミクスの理論

2020年04月

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2024年03月

日本学術振興会, 科学研究費助成事業 基盤研究(B), 太田 幸則, 柚木 清司, 杉本 高大, 基盤研究(B), 研究分担者

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本申請代表者グループの励起子凝縮に関するこれまでの理論研究を背景に、本研究の目的は次の３点を明らかにすることである。すなわち、① 熱的純粋量子状態に基づく変分クラスター近似を用いた強結合励起子凝縮機構の解明 ② 時間発展ランチョス法・時間依存密度行列繰込み群法による励起子相の非平衡ダイナミクスの解明 ③第一原理計算とその解析に基づく低エネルギー有効電子模型の導出。これらにより、超伝導と並ぶフェルミオン対凝縮系としての励起子凝縮の物理の学理を深化させる。この目的を達成するため、研究分担者と協力者を3チームに分け、計画の4年間で強結合励起子絶縁体の特異性を明らかにし、有限温度量子多体系における秩序と揺らぎという歴史的大問題にひとつの解答を与え、さらにはフェルミオン対凝縮系の非平衡ダイナミクスという未踏の問題に糸口を見出す。
令和2年度は、励起子凝縮の学理の深化のための出発点を構築した。新型コロナウィルス感染症の予期せぬ拡大により研究活動が様々な側面で大きく抑制されたため、研究期間の1年間の延長を申請し認められた。その結果、次のような研究実績を得ることができた。研究代表者チームは、非平衡グリーン関数による摂動論的解析手法に加え、強相関電子系に対する非摂動論的な量子クラスター法を中心とする数値計算手法を開発した。また、低エネルギー有効模型の導出を行い、物質に即した理論を構築する基礎を得た。研究分担者チームは、関係する種々の強相関電子模型の非平衡ダイナミクスを研究し、光励起による強相関電子系における非平衡ダイナミクスや光誘起相転移に関する研究手法を発展させた。また、強結合励起子系の有限温度における一般理論を構築するため、熱的純粋量子状態に基づく変分クラスター近似の計算手法を開発した。研究成果は幾つかの学術論文として出版し、国内外の学会等で発表した。

励起子量子凝縮相の励起状態ダイナミクス

2019年04月

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2022年03月

文部科学省・日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 杉本　高大, 若手研究, 補助金,  研究代表者

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半金属または半導体において励起子が自発的に形成され、ボース凝縮を起こした相を励起子相と呼ぶ。近年になっていくつかの候補物質が提案され、励起子相研究の新しい展開を迎えている。本研究では励起子相に対する物性研究を念頭に置き、広く強相関電子系の有限温度状態ならびに光誘起非平衡状態の理論的・数値的研究を行った。
有限温度計算においては変分クラスター法の有限温度への拡張や、クラスター平均場近似の励起子相への適用を行った。また、非平衡状態に関する研究では、引力および斥力ハバード模型の光誘起相転移の提案や、拡張ハバード模型の高次高調波における励起子の効果を解明した。

励起子絶縁体の外場応答に関する微視理論の展開

2015年08月

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2017年03月

日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 杉本 高大, 研究活動スタート支援, 研究代表者

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励起子絶縁体とは、半導体または半金属において、励起子が自発的に形成され量子凝縮を起こした系である。励起子絶縁体の候補物質である遷移金属カルコゲナイドTa2NiSe5に注目して、超音波吸収係数と核磁気共鳴緩和率に現れる量子干渉効果、反磁性磁化率、光学伝導度の振る舞いについて励起子凝縮の観点から明らかにした。また、コバルト酸化物Pr0.5Ca0.5CoO3の励起子相において磁気多極子秩序が形成されることを示し、そのときの低エネルギー励起構造を明らかにした。

強相関系の励起子ボーズ凝縮と超伝導に関する微視理論の展開

2014年04月

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2017年03月

日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 太田 幸則, 山田 篤志, 小西 健久, 関 和弘, 金子 竜也, 杉本 高大, 西本 理, 江島 聡, Fehske Holger, 基盤研究(C), 連携研究者

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電子正孔対（励起子）の凝縮が熱平衡状態で実現する励起子絶縁体と呼ばれる状態に最近新たな注目が集まっている。本研究では、候補物質Ta2NiSe5を中心に、変分クラスター近似等を用いて理論研究を展開し、次項を明らかにした。(1) 電子格子相互作用やフント結合による励起子凝縮相の相対的安定性、(2) Ta2NiSe5の角度分解光電子分光実験で観測されるフラットバンドの起源、(3) Ta2NiSe5の超音波吸収係数の温度依存性に現れるコヒーレンスピークの予言、(4) Ta2NiSe5の軌道磁化率の異常の起源、(5) コバルト酸化物の磁気多極子秩序形成と低エネルギー集団励起構造の解明。

多バンド遍歴電子系の輸送特性におけるスピン自由度と軌道自由度の役割の解明

2012年04月

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2015年03月

日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 杉本 高大, 特別研究員奨励費, 研究代表者

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鉄ヒ素系超伝導体の反強磁性相における電気抵抗の異方性に関する研究を行った。飛び移り積分の値の差異や相互作用の大きさなど、採用するモデルの任意性によって結果に差が出ないかを調べた。電気抵抗の理論的な解析に当たって、記憶関数を用いた解析を採用した。前年度に記憶関数の自由電子ガスにおける定式化を適切な形で多軌道電子系に拡張することに成功したので、それを適用した。
反強磁性相の基底状態を得るために、5軌道タイトバインディング模型に相互作用項を加えたハバード模型を採用した。平均場近似によって反強磁性の秩序変数を自己無撞着に解くことで電子状態を得た。この電子状態を元に、多軌道電子系の記憶関数法による電気抵抗の計算を行った。何もキャリアをドープしていない場合において、反強磁性相のフェルミ面はブリルアンゾーンの原点にホール面、その周りを取り囲むように上下に電子面、左右にディラックコーンを起源とするディラック面が存在するが、電気抵抗の異方性にはこれらの電子面とディラック面が関与する。反強磁性方向の電流を流した場合はディラック面で電子が強く散乱される一方で、強磁性方向の電流では電子面で強く散乱される。電子面がディラック面よりも大きいため、電子面で散乱される電子が多く、強磁性方向の電気抵抗が大きくなる傾向にある。パラメーターを変えた場合においても、定性的には電気抵抗の異方性の傾向が変わらないことを確認した。
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また、博士課程在籍中の研究を博士論文にまとめ、京都大学に提出した。