第19回日本物理学会論文賞受賞理由など
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論文題目：Spin-Orbit Interaction in Single Wall Carbon Nanotubes: Symmetry Adapted Tight-Binding Calculation and Effective Model Analysis
著者氏名：Wataru Izumida, Kentaro Sato, and Riichiro Saito
授賞理由：炭素原子からなる系ではスピン軌道相互作用の効果は小さく，その定量的な評価はワイドギャップ半導体であるダイヤモンドに関してなされてはいたが，通常は考慮されないことがほとんどであった．本論文では，直径と螺旋度に依存した電子構造を持つカーボンナノチューブ系に対して，重なり積分を考慮した定量性の高いタイトバインディング法を用いてスピン軌道相互作用の電子構造に及ぼす影響を系統的に求めた結果が報告されている．
カーボンナノチューブ系は，金属から絶縁体まで多様な電子構造を取ることが理論的に予言され，実験的にも主に光物性測定を用いて確認されてきたが，その幾何構造の多様性により，単一の構造（螺旋度・直径）のみからなる試料の作成が遅れていたことから，詳細な電子構造（バンド構造）の実験的確認は遅れていた．近年，ようやく構造均一性の高い試料が得られる様になってきたことから，個々のカーボンナノチューブの定量的な電子構造研究の進展が期待される状況となってきた．特に，通常「金属」と分類されるカーボンナノチューブの殆どは，曲率の効果によりエネルギーギャップが開く「微少ギャップ半導体」であることが定量的電子構造理論研究により予言されている．さらに，曲率の効果を入れても金属と予測される，いわゆるアームチェアナノチューブでも，スピン軌道相互作用を考慮すると，微少なギャップが開き得ることが指摘されていた．半導体カーボンナノチューブの価電子帯頂上および伝導帯底のスピン軌道相互作用分裂も含めて，多様な電子構造を持つナノチューブ系におけるスピン軌道相互作用の定量的な理解は，科学上，また，スピントロニクス応用上も重要な研究課題である．本論文では，タイトバインディング法に基づいて構造最適化された多数のカーボンナノチューブに関して，螺旋対称性を取り入れてスピン軌道相互作用を定量的に評価した結果が，物理的な議論も含めて系統的に報告されている．重要課題に関する総合的な研究成果報告として高い価値があり，日本物理学会論文賞に相応しい論文と判断される．
Generally, the effect of spin-orbit interaction is small in materials consisting of carbon. Hence, it has been scarcely considered except in the case of a diamond, wide band-gap semiconductor. In this paper, the authors report on the effect of spin-orbit interaction on the radius- and chirality-dependent electronic structure of carbon nanotubes using a high-quantitative-accuracy tight-binding model with an overlap matrix.
It was theoretically predicted and later confirmed experimentally that carbon nanotubes can possess either metallic or semiconducting electronic transport properties. On the other hand, the production of single-radius and single-chirality nanotube samples has been difficult due to their wide variety of geometries. Recently, however, uniform-geometry samples were finally produced experimentally and it is now expected that high-accuracy electronic-structure studies of each carbon nanotube will be performed soon. It was predicted from quantitative electronic-structure theory that most of the so-called metallic carbon nanotubes are semiconductors having a small but finite energy gap due to the finite curvature effect, and that armchair nanotubes are the only metallic nanotubes. Interestingly, the inclusion of spin-orbit interaction can give rise to a very small but finite energy gap even in these armchair nanotubes. Therefore, the quantitative understanding of spin-orbit interaction including the effect on a valence-band top and a conduction-band bottom of the semiconducting carbon nanotubes is now scientifically and technologically of high importance. In this work the authors have evaluated and discussed the effects of spin-orbit interaction in many carbon nanotubes with optimized geometries using a tight-binding model with chiral-symmetry operations. This paper thus provides a comprehensive report on an important subject.