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ディラック-ワイル電子系におけるスピン電磁結合の理論

Research Project

Project/Area Number 15J03412
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Condensed matter physics I
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

紅林 大地  東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2015-04-24 – 2018-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2017)
Budget Amount *help
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2017: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2016: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywordsワイル半金属 / スピントロニクス / スピン移行トルク / トポロジカル絶縁体
Outline of Annual Research Achievements

我々は昨年度までの研究において、ワイル半金属中ではワイル電子系が有するカイラルゲージ対称性により従来知られていた形のスピン移行トルクが生じないことを明らかにした。一方で、ワイル半金属中では強いスピン軌道相互作用に起因しスピンテクスチャーが電荷を帯びることが知られており、そのため電場によりスピンテクスチャーの駆動が可能であることが理論的に提案されている。この結果は、ワイル半金属中でも空間的に非一様な磁気構造下で生じるスピントルクが存在することを示唆しているものである。
そこで、我々は本年度の研究において、ワイル半金属中の磁気構造が空間的に非一様な場合に新たに生じるスピントルクの解析的な表式を得ることを目的とした。本研究では、ディラック・ワイル電子系の非平衡スピン期待値を、外部電場と空間依存した局在スピンの応答として導出した。ワイル半金属においては、局在電子スピンが電子系に対するカイラルベクトルポテンシャルとして作用するため、カイラル電流とスピン応答を同一視することできる。この性質を応用し、ボルツマン輸送理論を用いカイラル電流を求めることで、非平衡スピン期待値を導出した。その結果として、ワイル半金属中におけるスピン移行トルクの表式を解析的に導出することに成功した。
今回得られたスピントルクの表式は、従来知られている一般的な強磁性金属中で生じるスピン移行トルクとは異なり、ワイル半金属に特有の現象である。また、スピンテクスチャーが空間的に急峻に変化をしている場合は、緩和時間への依存性がなくなり、これはつまり電子系における散逸がないスピントルクとなっている。さらに、このスピントルクによる磁壁駆動が可能であることを明らかにした。従来のスピン移行トルクによるものに比べ、今回得られたスピントルクは電子系での散逸がないことから消費エネルギーが少ない磁壁駆動が可能であると期待される。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • 2015 Annual Research Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2018 2017 2016 2015

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 12 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Voltage-driven magnetization switching and spin pumping in Weyl semimetals2016

    • Author(s)
      D. Kurebayashi and K. Nomura
    • Journal Title

      Phys. Rev. Applied

      Volume: 6 Issue: 4 Pages: 044013-044013

    • DOI

      10.1103/physrevapplied.6.044013

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Charge-Induced Spin Torque in Anomalous Hall Ferromagnets2015

    • Author(s)
      K. Nomura, D. Kurebayashi
    • Journal Title

      Phys. Rev. Lett.

      Volume: 115 Issue: 12 Pages: 127201-127201

    • DOI

      10.1103/physrevlett.115.127201

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Weyl magnon in magnetic diamond lattice2018

    • Author(s)
      Daichi Kurebayashi, Koji Sato, Oleg Tretiakov, and Kentaro Nomura
    • Organizer
      APS March Meeting 2018
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Charge-induced spin torque in Weyl semimetals2017

    • Author(s)
      Daichi Kurebayashi and Kentaro Nomura
    • Organizer
      America Physical Society March meeting 2017
    • Place of Presentation
      New Orleans, USA
    • Year and Date
      2017-03-13
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Voltage- and Current-driven spin torques in Weyl semimetals2017

    • Author(s)
      Daichi Kurebayashi and Kentaro Nomura
    • Organizer
      Topological Phases and Functionality of Correlated Electron Systems 2017
    • Place of Presentation
      Institute for Solid State Physics, Univ. of Tokyo, Japan
    • Year and Date
      2017-02-20
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Current- and Voltage-driven spin torques in Weyl semimetals2017

    • Author(s)
      Daichi Kurebayashi and Kentaro Nomura
    • Organizer
      International Conference on Topological Materials Science 2017
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Spin torques in Weyl semimetal2017

    • Author(s)
      Daichi Kurebayashi and Kentaro Nomura
    • Organizer
      The 26th Joint Workshop on Nano-Magnetics
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ワイル半金属における電圧誘起磁化ダイナミクス2016

    • Author(s)
      紅林大地、野村健太郎
    • Organizer
      新学術領域研究「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」 第2回領域研究会
    • Place of Presentation
      東北大学、仙台
    • Year and Date
      2016-12-16
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Charge-induced spin torque and voltage-driven magnetization switching in Weyl semimetals2016

    • Author(s)
      Daichi Kurebayashi and Kentaro Nomura
    • Organizer
      61st Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials
    • Place of Presentation
      New Orleans, USA
    • Year and Date
      2016-11-04
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Charge-induced spin torque and voltage-driven magnetization dynamics in Weyl semimtals2016

    • Author(s)
      Daichi Kurebayashi and Kentaro Nomura
    • Organizer
      Topo Mat Meeting 2016
    • Place of Presentation
      Max Planck Institute for Solids State Research, Stuttgart,Germany
    • Year and Date
      2016-09-20
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ワイル半金属における異常スピン電磁応答2016

    • Author(s)
      紅林 大地, 野村健太郎
    • Organizer
      日本物理学会2016年秋季大会
    • Place of Presentation
      金沢大学、石川県
    • Year and Date
      2016-09-12
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Voltage-driven magnetization switching and spin pumping in Weyl semimetals2016

    • Author(s)
      Daichi Kurebayashi and Kentaro Nomura
    • Organizer
      9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
    • Place of Presentation
      Kobe, Japan
    • Year and Date
      2016-08-08
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Coupled cahrge and magnetization dynamics in Weyl semimetals2016

    • Author(s)
      Daichi Kurebayashi and Kentaro Nomura
    • Organizer
      The 22nd International Conference on High Magnetic Fields in Semiconductor Physics
    • Place of Presentation
      Sapporo, Japan
    • Year and Date
      2016-07-24
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ワイル半金属における電圧誘起磁化反転とスピンポンピング現象2016

    • Author(s)
      紅林大地、野村健太郎
    • Organizer
      日本物理学会 第71回年次大会
    • Place of Presentation
      東北学院大学泉キャンパス
    • Year and Date
      2016-03-19
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Magnon dynamics and cross-correlated response on the surgace of topological insulators2015

    • Author(s)
      Daichi Kurebayashi and Kentaro Nomura
    • Organizer
      International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
    • Place of Presentation
      Sendai International Center
    • Year and Date
      2015-07-26
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Coupled charge and magnetization in Weyl semimetals2015

    • Author(s)
      Daichi Kurebayashi and Kentaro Nomura
    • Organizer
      International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
    • Place of Presentation
      Sendai International Center
    • Year and Date
      2015-07-26
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Coupled Charge and magnetization in Weyl semimetals2015

    • Author(s)
      Daichi Kurebayashi and Kentaro Nomura
    • Organizer
      Gordon Research Conference: Topological & Correlated Matter
    • Place of Presentation
      The Hong Kong University of Science and Technology
    • Year and Date
      2015-06-28
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2015-11-26   Modified: 2024-03-26  

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