トポロジカル材料設計研究ユニット

主宰者

主宰者名

平山元昭 Motoaki Hirayama

学位

博士（工学）

役職

ユニットリーダー

略歴

2013	東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻博士課程修了
2013	産業技術総合研究所ナノシステム研究部門相関材料シミュレーショングループ特別研究員
2015	東京工業大学大学院理工学研究科物性物理学専攻特任助教
2017	理化学研究所創発物性科学研究センター計算物質科学研究チーム研究員
2020	同統合物性科学研究プログラムトポロジカル材料設計研究ユニットユニットリーダー（現職）
2020	東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター　特任准教授

研究室概要

当ユニットでは、現実物質に即した数値計算手法である第一原理計算を用いて、新奇物質とその物性の開拓を行う。特に電子のバンド構造における幾何学的性質に着目し、非自明な物性を発現するトポロジカル物質の探索に焦点を当て、その特異な電子状態の生む物性や応用を検討する。電子系としては超伝導状態なども対象とし、量子計算を見据えたマヨラナフェルミオンの創発を提案する。また、相関効果を第一原理的に取り扱う手法を開発し、強相関電子系や磁性材料系を含めた幅広い電子系の物質デザインを行う。当ユニットではさらに、電子化物などの化学・材料分野の物質も対象に含め、広い科学領域に跨る材料設計を行う。

研究分野

物理学、化学、材料科学

キーワード

第一原理計算
理論物質設計
トポロジカル物質
材料応用
触媒科学
マヨラナフェルミオン
スピン－軌道相互作用

研究紹介

トポロジカル物質の新たな舞台としての電子化物

当ユニットでは、トポロジカル物質の新たな物質系の1つとして電子化物を提案した。電子化物とは、結晶中の空隙に電子e^–が入り込み、アニオンとして構造の安定化を担っている物質群で、小さな仕事関数を持つことから触媒等の分野で研究が進んでいる。例えば、層状物質Sc₂C (図(a))では、層と層の間の空隙に電子が入り込み、図(b)のようにバンド絶縁性を示す。この[Sc₂C]²⁺2e^–の電荷密度はアニオン電子2e^–のためにSc₂C層から大きくずれた層間の位置に広がっており、量子化された巨大な分極を有する幾何学的に非自明な系となっている。バルクのトポロジーを反映し、Sc₂C表面では幾何学的に保護された金属状態が出現する(図(c))。表面の金属状態は空隙起源のため、Sc₂C表面の上に宙に浮かんで出現する(図(d))。この原子に局在していない電子雲は小さな仕事関数を持つため、Sc₂Cを基板として用いることで、表面載せた物質に対して高密度の電子ドーピングを行うことが可能になる。例えばMoS₂に対してはMo 1サイトあたり1電子のドープが可能となる(図(e))。相対論的な量子相を含め、当ユニットでは様々なトポロジカル電子化物を発見しており、科学分野を横断したトポロジカル物性の開拓が期待される。

(a) トポロジカル電子化物[Sc₂C]²⁺2e^–の結晶構造，(b) Sc2Cのバンド構造，(c) Sc₂C (111)表面のバンド構造，(d) 宙に浮かんだトポロジカル表面状態， (e) MoS₂に注入されたトポロジカル電荷

メンバー一覧

平山元昭 Motoaki Hirayama	ユニットリーダー	motoaki.hirayama[at]riken.jp

主要論文

M. Sato, J. Bouaziz, S. Sumita, S. Kobayashi, I. Tateishi, S. Blügel, A. Furusaki, and M. Hirayama

Ideal Spin-Orbit-Free Dirac Semimetal and Diverse Topological Transitions in Y₈CoIn₃ Family

Commun. Mater. 5, 253 (2024)
M. Hirayama, T. Nomoto, and R. Arita

Topological band inversion and chiral Majorana mode in hcp thallium

J. Phys.: Condens. Matter 36, 275502 (2024)
T. Tsuda, M. Sheng, H. Ishikawa, S. Yamazoe, J. Yamasaki, M. Hirayama, S. Yamaguchi, T. Mizugaki, and T. Mitsudome

Iron phosphide nanocrystals as an air-stable heterogeneous catalyst for liquid-phase nitrile hydrogenation

Nat. Commun. 14, 5959 (2023)
T. Yu, R. Arita, and M. Hirayama

Interstitial-Electron-Induced Topological Molecular Crystals

Adv. Phys. Res. 2, 2200041 (2022)
T. Hori, N. Kanazawa, M. Hirayama, K. Fujiwara, A. Tsukazaki, M. Ichikawa, M. Kawasaki, and Y. Tokura

A Noble-Metal-Free Spintronic System with Proximity-Enhanced Ferromagnetic Topological Surface State of FeSi above Room Temperature

Adv. Mater. 35, 2206801 (2022)
I. Tateishi and M. Hirayama

Quantum spin Hall effect from multi-scale band inversion in twisted bilayer Bi₂(Te_1−xSe_x)₃

Phys. Rev. Research 4, 043045 (2022)
Y. Ohtsuka, N. Kanazawa, M. Hirayama, A. Matsui, T. Nomoto, R. Arita, T. Nakajima, T. Hanashima, V. Ukleev, H. Aoki, M. Mogi, K. Fujiwara, A. Tsukazaki, M. Ichikawa, M. Kawasaki, and Y. Tokura

Emergence of spin-orbit coupled ferromagnetic surface state derived from Zak phase in a nonmagnetic insulator FeSi

Sci. Adv. 7, eabj0498 (2021)
M. Hirayama, T. Tadano, Y. Nomura, and R. Arita

Materials design of dynamically stable d⁹ layered nickelates

Phys. Rev. B 101, 75107 (2020)
M. Hirayama, S. Matsuishi, H. Hosono, and S. Murakami

Electrides as a New Platform of Topological Materials

Phys. Rev. X 8, 031067 (2018)
M. Hirayama, R. Okugawa, T. Miyake, and S. Murakami

Topological Dirac nodal lines and surface charges in fcc alkaline earth metals

Nat. Commun. 8, 14022 (2017)
M. Hirayama, R. Okugawa, S. Ishibashi, S. Murakami, and T. Miyake

Weyl Node and Spin Texture in Trigonal Tellurium and Selenium

Phys. Rev. Lett. 114, 206401 (2015)

主宰者