埋もれていたトポロジカル物質を発掘する新手法を開発 -次世代省エネ技術や量子デバイスを支える新材料探索を加速-

2026-11-09 理化学研究所

理化学研究所と京都大学の研究チームは、結晶の対称性に基づいてトポロジカル物質を識別するための「トポロジカル不変量」を体系的に構築する理論手法を開発した。従来の対称性指標法では、運動量空間の高対称点における情報を主に利用していたため、トポロジカルな性質を判定できない物質が存在していた。今回、代数トポロジーの数学的手法であるAtiyah-Hirzebruchスペクトル系列(AHSS)を応用し、高対称点だけでなく、それらを結ぶ線上の電子状態の情報も組み合わせてトポロジカル不変量を系統的に導出する方法を確立した。全1,651種類の結晶対称性に適用可能な枠組みを構築し、特に時間反転対称性を持つs波型超伝導体では、3次元結晶の230種類の空間群のうち159種類、薄膜に対応する80種類の層群のうち76種類で、トポロジカルな性質を完全に判定できることを示した。第一原理計算と組み合わせることで、従来見逃されていたトポロジカル物質の網羅的探索が期待される。

本研究の手法の概念図の画像

図1 本研究の手法の概念図

<関連情報>

トポロジカル絶縁体および超伝導体の完全な特性評価に向けて:アティヤ・ヒルツェブルフスペクトル系列に基づくトポロジカル不変量の体系的な構築 Toward Complete Characterization of Topological Insulators and Superconductors: A Systematic Construction of Topological Invariants Based on Atiyah-Hirzebruch Spectral Sequence

Seishiro Ono and Ken Shiozaki
Physical Review X  Published: 23 October, 2026
DOI:https://doi.org/10.1103/2rw7-bzl4

Abstract

The past decade has witnessed significant progress in topological materials investigation. Symmetry-indicator theory and topological quantum chemistry provide an efficient scheme to diagnose topological phases from only partial information of wave functions without full knowledge of topological invariants, which has resulted in a recent comprehensive materials search. However, not all topological phases can be captured by this framework, and topological invariants are needed for a more refined diagnosis of topological phases. In this study, we present a systematic framework to construct topological invariants for a large part of symmetry classes, which should be contrasted with the existing invariants discovered through one-by-one approaches. Our method is based on the recently developed Atiyah-Hirzebruch spectral sequence in momentum space. As a demonstration, we construct topological invariants for time-reversal-symmetric spinful superconductors with conventional pairing symmetries of all space groups, for which symmetry indicators are silent. We also validate that the obtained quantities work as topological invariants by computing them for randomly generated symmetric Hamiltonians. Remarkably, the constructed topological invariants completely characterize groups in 159 space groups. Our topological invariants for normal conducting phases are defined under some gauge conditions. To facilitate efficient numerical simulations, we discuss how to derive gauge-independent topological invariants from the gauge-fixed topological invariants through some examples. Combined with first-principles calculations, our results will help us discover topological materials that could be used in next-generation devices and pave the way for a more comprehensive topological materials database.

1701物理及び化学
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