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2018/6/12 表面の電子状態 表面に局在する電子状態 表面電子状態表面準位 1. ショックレー状態 ( 準位 ) 2. タム状態 ( 準位 ) 3. 鏡像状態 ( 準位 ) 4. 表面バンドのナローイング 5. 吸着子の状態密度 鏡像力によるポテンシャル 表面からzの位置の電子に働く力とポテン

銅酸化物高温超伝導体の フェルミ面を二分する性質と 超伝導に対する上純物効果

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と呼ばれる普通の電子とは全く異なる仮説的な粒子が出現することが予言されており その特異な統計性を利用した新機能デバイスへの応用も期待されています 今回研究グループは パラジウム (Pd) とビスマス (Bi) で構成される新規超伝導体 PdBi2 がトポロジカルな性質をもつ物質であることを明らかにし

日本内科学会雑誌第102巻第4号

体状態を保持したまま 電気伝導の獲得という電荷が担う性質の劇的な変化が起こる すなわ ち電荷とスピンが分離して振る舞うことを示しています そして このような状況で実現して いる金属が通常とは異なる特異な金属であることが 電気伝導度の温度依存性から明らかにされました もともと電子が持っていた電荷やスピ

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トポロジカル欠陥の物理 –ボース・アインシュタイン凝縮体を中心に-

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背景と経緯 現代の電子機器は電流により動作しています しかし電子の電気的性質 ( 電荷 ) の流れである電流を利用した場合 ジュール熱 ( 注 3) による巨大なエネルギー損失を避けることが原理的に不可能です このため近年は素子の発熱 高電力化が深刻な問題となり この状況を打開する新しい電子技術の開

C-2 NiS A, NSRRC B, SL C, D, E, F A, B, Yen-Fa Liao B, Ku-Ding Tsuei B, C, C, D, D, E, F, A NiS 260 K V 2 O 3 MIT [1] MIT MIT NiS MIT NiS Ni 3 S 2 Ni

トポロジカル絶縁体ヘテロ接合による量子技術の基盤創成 ( 研究代表者 : 川﨑雅司 ) の事業の一環として行われました 共同研究グループ理化学研究所創発物性科学研究センター強相関物理部門強相関物性研究グループ研修生安田憲司 ( やすだけんじ ) ( 東京大学大学院工学系研究科博士課程 2 年 ) 研

C el = 3 2 Nk B (2.14) c el = 3k B C el = 3 2 Nk B

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2016 ǯ¥Î¡¼¥Ù¥ëʪÍý³Ø¾Þ²òÀ⥻¥ß¥Ê¡¼ Kosterlitz-Thouless ž°Ü¤È Haldane ͽÁÛ

42 3 u = (37) MeV/c 2 (3.4) [1] u amu m p m n [1] m H [2] m p = (4) MeV/c 2 = (13) u m n = (4) MeV/c 2 =

講 座 熱電研究のための第一原理計算入門 第1回 密度汎関数法による第一原理バンド計算 桂 1 はじめに ゆかり 東京大学 2 密度汎関数理論 第一原理 first-principles バンド計算とは 結晶構造 Schrödinger 方程式は 量子力学を司る基本方程式で 以外の経験的パラメータや

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(extended state) L (2 L 1, O(1), d O(V), V = L d V V e 2 /h 1980 Klitzing

O1-1 O1-2 O1-3 O1-4 O1-5 O1-6

共同研究グループ 理化学研究所創発物性科学研究センター 量子情報エレクトロニクス部門 量子ナノ磁性研究チーム 研究員 近藤浩太 ( こんどうこうた ) 客員研究員 福間康裕 ( ふくまやすひろ ) ( 九州工業大学大学院情報工学研究院電子情報工学研究系准教授 ) チームリーダー 大谷義近 ( おおた

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             論文の内容の要旨

H AB φ A,1s (r r A )Hφ B,1s (r r B )dr (9) S AB φ A,1s (r r A )φ B,1s (r r B )dr (10) とした (S AA = S BB = 1). なお,H ij は共鳴積分 (resonance integra),s ij は重

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令和元年 6 月 1 3 日 科学技術振興機構 (JST) 日本原子力研究開発機構東北大学金属材料研究所東北大学材料科学高等研究所 (AIMR) 理化学研究所東京大学大学院工学系研究科 スピン流が機械的な動力を運ぶことを実証 ミクロな量子力学からマクロな機械運動を生み出す新手法 ポイント スピン流が

(tight-binding model) 2 Figure : (a) B Berry (b)-(d) (b) (c) ( ) (d) (photovoltaic Hall effect)[] ( ) (a) 2 σ xy E j j x = σ xy E y () 9 [4] 2 ( ) σ x

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第6章 実験モード解析

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う特性に起因する固有の量子論的効果が多数現れるため 基礎学理の観点からも大きく注目されています しかし 特にゼロ質量電子系における電子相関効果については未だ十分な検証がなされておらず 実験的な解明が待たれていました 東北大学金属材料研究所の平田倫啓助教 東京大学大学院工学系研究科の石川恭平大学院生

1 1.1 hν A(k,ε)[ k ρ(ω)] [1] A(k,ε) ε k μ f(ε) 1/[1 + exp( ε μ k B T )] A(k,ε)f(ε) ρ(ε)f(ε) A(k,ε)(1 f(ε)) ρ(ε)(1 f(ε)) A(k,ε) σ(ω) χ(q,ω) k B T ev k

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1: (Emmy Noether; ) (Feynman) [3] [4] {C i } A {C i } (A A )C i = 0 [5] 2

,255 7, ,355 4,452 3,420 3,736 8,206 4, , ,992 6, ,646 4,

スピン流を用いて磁気の揺らぎを高感度に検出することに成功 スピン流を用いた高感度磁気センサへ道 1. 発表者 : 新見康洋 ( 大阪大学大学院理学研究科准教授 研究当時 : 東京大学物性研究所助教 ) 木俣基 ( 東京大学物性研究所助教 ) 大森康智 ( 東京大学新領域創成科学研究科物理学専攻博士課

三重大学工学部

多体系の量子力学 ー同種の多体系ー

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量子力学の基本原理

I-2 (100 ) (1) y(x) y dy dx y d2 y dx 2 (a) y + 2y 3y = 9e 2x (b) x 2 y 6y = 5x 4 (2) Bernoulli B n (n = 0, 1, 2,...) x e x 1 = n=0 B 0 B 1 B 2 (3) co

: (a) ( ) A (b) B ( ) A B 11.: (a) x,y (b) r,θ (c) A (x) V A B (x + dx) ( ) ( 11.(a)) dv dt = 0 (11.6) r= θ =

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講 座 熱電研究のための第一原理計算入門 第2回 バンド計算から得られる情報 桂 1 はじめに ゆかり 東京大学 が独立にふるまうようになる 結晶構造を定義する際に 前回は 第一原理バンド計算の計算原理に続いて 波 アップスピンの原子 ダウンスピンの原子をそれぞれ指 のように自由な電子が 元素の個性

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イン版 (2 月 22 日付け : 日本時間 2 月 23 日 ) に掲載されます 注 )R. Yoshimi, K. Yasuda, A. Tsukazaki, K.S. Takahashi, N. Nagaosa, M. Kawasaki and Y. Tokura, Quantum Hall

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系の大域的な実空間トポロジーが物性そのもの に果たして直接影響を与えるものなのか またそ れがトポロジカル欠陥 秩序パラメータの安定性 波動関数空間 運動量空間 配位空間のトポロジー の問題とどのように関わってくるのかに 関心が 集まってきている 例えば メビウス帯のような 裏と表の区別ができない系

PRESS RELEASE (2015/10/23) 北海道大学総務企画部広報課 札幌市北区北 8 条西 5 丁目 TEL FAX URL:

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光格子中におけるスピン密度   インバランスフェルミ気体の安定性

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量子臨界現象におけるトポロジー

(e ) (µ ) (τ ) ( (ν e,e ) e- (ν µ,µ ) µ- (ν τ,τ ) τ- ) ( ) ( ) ( ) (SU(2) ) (W +,Z 0,W ) * 1) [ ] [ ] [ ] ν e ν µ ν τ e µ τ, e R,µ R,τ R (2.1a

ハートリー・フォック(HF)法とは?

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日本内科学会雑誌第98巻第4号

s ss s ss = ε = = s ss s (3) と表される s の要素における s s = κ = κ, =,, (4) jωε jω s は複素比誘電率に相当する物理量であり ここで PML 媒質定数を次のように定義する すなわち κξ をPML 媒質の等価比誘電率 ξ をPML 媒質の

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日本内科学会雑誌第97巻第7号

Hanbury-Brown Twiss (ver. 2.0) van Cittert - Zernike mutual coherence

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Transcription:

はじめに 講義資料 : 大槻東巳のホームページ, 講義資料からダウンロードする 今日の授業と資料を基に 1 月 29 日までに A4 用紙 1 枚でレポートを作成 課題はトポロジカル絶縁体とは何か? 提出先 :4-389A

トポロジカル絶縁体入門 物理学序論 上智大学物理領域 大槻東巳

2016 年のノーベル物理学賞 サウレス ハルデイン コスタリッツ ½ ¼ ¼ for theoretical discoveries of topological phase transitions and topological phases of matter

トポロジー https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2016/fig_fy_en_ 16_topology.pdf

アウトライン トポロジカル絶縁体 (topological insulator, TI) とは何か? 昔から知られていたトポロジカル絶縁体 : 量子ホール効果 (QHE) における量子ホール絶縁体 quantum Hall insulator (QHI) 量子ホール絶縁体以外のトポロジカル絶縁体の予言と発見 à 2 次元量子スピンホール系 (quantum spin Hall systems (QSHE)(HgTe)) と 3 次元 TI (Bi 2 Se 3 ) CdTe/HgTe/CdTe 量子井戸における量子スピンホール効果 GaN/InN/GaN 量子井戸の可能性 References : 1) 東北大学金属材料研野村健太郎准教授による講義ノート http://www-lab.imr.tohoku.ac.jp/~nomura/note.html 2) Review: M. Hasan, C. Kane: Rev. Mod. Phys. 82 (2010) 3045 3) Review: X.-L. Qi, S.-C. Zhang: Rev. Mod. Phys. 83 (2011) 1057 4) Miao et al., Topological Insulator Transition in a GaN/InN/GaN Quantum Well, PRL 109, 186803 (2012) 5) Photonic topological insulator 1: Haldane, Raghu: PRL 100, 013904 (2008) 6) Photonic topological insulator 2: Khanikaev et al.: Nature materials, 12 (2013)233

1. トポロジカル絶縁体とは? バンドギャップ絶縁体でギャップ内に端 / 表面状態をもつもの ただの表面状態でなく, トポロジカルな要因で保護されているため, ランダムネス, 電子間相互作用, 電子格子相互作用の影響を受けない 電流やスピンの方向が特徴的

2. 昔から知られていたトポロジカル絶 縁体,QHI in QHE R j 1 h j 1, 2,3, 2 je σ yx = e2 h j, σ xx = 0 絶縁体 4*"$'"#+B C,12) )#2 D%??%1 EFGHI 異なるタイプの絶縁相

量子ホール効果をトポロジカル数で解釈する 久保公式 Thouless et al. PRL 1982 周期ポテンシャルの場合, ブロッホ関数が固有関数 v=dh(k)/dk に注意 トークスの定理 0 IT rtt kl T 27T - qa

量子ホール効果から得られた教訓 バルクの波動関数が非自明な位相構造を持つ à この位相構造をトポロジカル数で定義 à 量子ホールコンダクタンスは e 2 /h x トポロジカル数となり厳密に量子化 トポロジカル数は整数のみを取るので, ある程度の摂動を受けてもコンダクタンスは変化しない à 10-9 の精度で量子化 この議論の弱点 : トポロジカル数はブロッホ関数で定義されているが, 量子ホール効果は乱れた 2 次元電子系で観測されている

バルク vs. エッジ描像 バルクのトポロジカル数が n の場合, n 本のエッジ状態がサンプルの端に現れる à バルクの波動関数のトポロジーをトポロジカル数 (Chern number) で定義する代わりに, 実験的には試料のエッジ状態を調べればよい http://physics.aps.org/articles/v2/15

エッジ描像の利点 エッジ電流は電流測定に直接きいてくる ランダムネスがあっても定義できる エッジ状態がランダムネス 相互作用に対して安定かどうかはある程度直感的に分かる

3. 量子ホール絶縁体以外の トポロジカル絶縁体に向けて 量子ホール効果の発見 1980 年, 分数量子ホール効果が 1982 年, それぞれにノーベル賞が授与され済み 2000 年代前半 à スピントロニクスの研究の発展 o 電流ではなく, スピンを流したい しかも磁石や磁場を使わず 2 次元系でスピンを流す : 時間反転対称性のある量子ホール効果 à 量子スピンホール効果 (QSHE) 2010 年前後 :3 次元のトポロジカル絶縁体 いずれもスピン軌道相互作用がキー

実際の物質 o 2D HgTe QSHE 後で詳しく述べる o 3D Bi 2 Se 3 (2009, Yu-Qi Xia, Zahid Hasan), Bi 0.9 Sb 0.1 (2008, David Hsieh, Zahid Hasan) Bi 2 Te 3 TlBiSe 2 ARPES With randomness H Zhang et al., Nature Physics, 2009

QSE に向けて : HgTe と CdTe の比較 s 軌道 heavy hole s 軌道 light hole

Hamiltonian s-orbital: Kramers doublet s > and s > p-orbital: p x + i p y >, -(p x - i p y ) > Near the Γ point: s+>, p x + i p y >, s->, -(p x - i p y ) > (Science 06) H(k), 2x2 行列 M = Es-Ep @ Γ 点 E(k) = ε(k) ± (M Bk 2 ) 2 + A 2 k 2

s と p の間のエネルギー M を変えると s p p M>0 M=0 s M<0

TI と他の表面状態の違い

エッジ状態はなぜ安定か? ( ランダムネス, 相互作用などに対して ) 偶数個の表面バンド à 不安定, 表面バンドの数は 0 か 1àZ 2 型

バルクのトポロジカル数がゼロで ないと表面 端状態が現れるわけ 真空ではトポロジカル数が0なので界面においてト ポロジカル数が不連続になってしまう トポロジカル数が0 真空 と有限の領域 TI を つなぐため ギャップレスの表面状態が現れる必要 がある NATURE Vol 464 11 March 2010 a NATURE Vol 464 11 March 2010 通常の絶縁体 a もしくは真空 PERSPECTIVE INSIGHT NATURE Vol 464 11 March 2010INSIGHT PERSPECTIVE 表面状態 b a ト ポ ロ ジ カ ル 絶 縁 Figure 1 Metallic states are born when a surface unties knotted electron b defined. If the topological invariants are always defined for an insulator, b

右側通行と左側通行の例 ( 物材機構胡博士のスライドより )

4. 2D realization in HgTe

Comparison of HgTe with Cd Te

HgTe の厚さを変えるとバンド反転

ではどうやってスピン電流を確認したか? Quantized 4 Termianl Conductance (Konig et al., Science 2007)

Ref. 7: Miao et al., Topological Insulator Transition in a GaN/InN/GaN Quantum Well PRL 109, 186803 (2012) ultrathin InN layers embedded into GaN 5 layers of InN (1.6nm thickness) Tunneling à 3D TI T. Nakaoka s idea

Weyl semimetal Weyl semimetal:h=±v (p±p 0 ) σ, E=±v p±p 0 surface states appear in certain direction. Huang et al., Nat. Commun. 6, 7373 (2015). Xu et al., Nature Phys. 11, 748 754 (2015)

Xu et al., Nature Phys. 11, 748 754 (2015) Weyl cones in NbAs

Weyl semimetal Weyl semimetal:h=±v (p±p 0 ) σ, E=±v p±p 0 surface states appear in certain direction. Huang et al., Nat. Commun. 6, 7373 (2015). Xu et al., Nature Phys. 11, 748 754 (2015)

Xu et al., Nature Phys. 11, 748 754 (2015) Weyl cones in NbAs

band insulator to WSM ε band Insulator k p パラメータを変える Weyl semimetal E=vk s randomness

WSM の表面状態 β=0.45 W=0.8 β=0.45 W=1.7 β=0.45 W=2.2

まとめ トポロジカル絶縁体 à 電流やスピンの向きが偏った端 表面状態をもつ これらの状態は摂動によっても壊されない トポロジカル絶縁体は 2 種類に分かれる : 量子ホール型 (Z 型 ) と量子スピンホール型 (Z 2 型 )