トポロジカル絶縁体・超伝導体における電流・熱流・スピン流の新奇な創発現象

• Project/Area Number: 16J01981
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Mathematical physics/Fundamental condensed matter physics
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 小林 浩二 東北大学, 金属材料研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2018: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2017: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2016: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: トポロジカル物質 / スピントロニクス / 磁気抵抗効果 / Weylセミメタル / トポロジカル量子系 / 輸送現象 / トポロジカル量子 / ワイル半金属

Outline of Annual Research Achievements

磁気抵抗効果は記録媒体や磁気センサにも用いられている、スピントロニクスにおける最も重要な効果の一つである。単一素材において磁気構造の違いのみで実現可能な磁壁磁気抵抗効果は応用上有利であると期待されるものの、通常は厚い磁壁や乱れによって磁気抵抗比が小さくなる事が課題である。
本研究ではまず、強磁性Weylセミメタルにおいて発現し得る、磁壁の厚みや乱れによらず巨大な磁気抵抗比を示す特殊な磁壁磁気抵抗効果の詳しい性質を調べた。特に転送行列法を用いた詳細な数値計算により、この効果が厚い磁壁や、磁性不純物に対しても安定であることを明らかにした。また、ヘリシティ不整合による磁気抵抗とフェルミ面のずれによる磁気抵抗の効果を分離することに成功し、この効果が系のトポロジカルな性質を反映したものである事を明確にした。
次に、カゴメ格子系における伝導度を再帰Green関数法を用いて調べ、磁化の向きにより伝導特性が大きく異なることを明らかにした。磁壁構造を導入することで乱れや磁壁の厚みに対し安定な大きな磁気抵抗比が得られるが、その符号がNeel型とhead-to-head型の磁壁で反転することを発見した。
さらに、非磁性のトポロジカル量子系である量子スピンHall絶縁体、及びトポロジカルDiracセミメタルの側面に強磁性電極を接続することで、通常は磁性トポロジカル量子系で見られる量子化されたHall伝導度、すなわち量子異常Hall効果が発現することを示した。この効果は系のサイズが大きいほど変化率が大きくなり、また乱れに対しても安定である。この現象は、トポロジカル物質そのものの組成を変えずに接続する電極の偏極率のみで制御することができる。
本研究で得られたトポロジカル量子系特有の磁気抵抗効果に関する知見は、トポロジカル・スピントロニクスの発展に大きく寄与すると期待される。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Helicity-protected domain-wall magnetoresistance in ferromagnetic Weyl semimetal (2018)
  • Author(s): K. Kobayashi, Y. Ominato, and K. Nomura
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 87 Issue: 7 Pages: 0737071-5
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.073707
  • NAID: 210000134886
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Helicity-protected domain-wall magnetoresistance in ferromagnetic Weyl semimetal (2018)
  • Author(s): K. Kobayashi, Y. Ominato, K. Nomura
  • Journal Title: arXiv Volume: -
• [Journal Article] Anisotropic magnetotransport in Dirac-Weyl magnetic junctions (2017)
  • Author(s): Yuya Ominato, Koji Kobayashi, Kentaro Nomura
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 95 Issue: 8 Pages: 0853081-6
  • DOI: 10.1103/physrevb.95.085308
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Comparative study of Weyl semimetal and topological/Chern insulators: Thin-film point of view (2016)
  • Author(s): Y. Yoshimura, W. Onishi, K. Kobayashi, T. Ohtsuki, K.-I. Imura
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 94 Issue: 23 Pages: 235414-235414
  • DOI: 10.1103/physrevb.94.235414
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] トポロジカルディラック半金属における多端子量子伝導に対する磁気偏極の効果 (2019)
  • Author(s): 小林浩二、野村健太郎
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] 磁性カゴメ層状物質における量子伝導と磁気抵抗効果 (2019)
  • Author(s): 高垣雅紀、小林浩二、野村健太郎
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] Numerical study of anomalous transport in Kagome lattice (2018)
  • Author(s): M. Takagaki, K. Kobayashi, K. Nomura
  • Organizer: Summit of Materials Science 2018: SMS2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Helicity-protected domain-wall magnetoresistance in disordered Weyl semimetals (2018)
  • Author(s): K. Kobayashi, Y. Ominato, K. Nomura
  • Organizer: Summit of Materials Science 2018: SMS2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical study of magneto-transport in Kagome lattice (2018)
  • Author(s): M. Takagaki, K. Kobayashi, K. Nomura
  • Organizer: One-Day Symposium on Spintronic Properties of Graphene and Related 2D Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 強磁性ワイル半金属における磁気抵抗効果の安定性 (2018)
  • Author(s): 小林浩二、大湊友也、野村健太郎
  • Organizer: 第12回 物性科学領域横断研究会 凝縮系科学の最前線 (領域合同研究会)
• [Presentation] Magnetoresistance effect in disordered ferromagnetic Weyl semimetals (2018)
  • Author(s): K. Kobayashi, Y. Ominato, K. Nomura
  • Organizer: International workshop "Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases: From solid state physics to transdisciplinary concepts"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Domain wall magnetoresistance in disordered ferromagnetic Weyl semimetal (2018)
  • Author(s): K. Kobayashi, Y. Ominato, K. Nomura
  • Organizer: APS March Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ワイル半金属の表面状態に関する研究：薄膜系におけるバルクエッジ対応と不純物に対する応答 (2017)
  • Author(s): 吉村幸徳、尾西渉、桐木達也、小林浩二、井村健一郎、大槻東巳
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-20
• [Presentation] ワイルノードがスプリットした系におけるLifshitz tailの量子輸送への影響 (2017)
  • Author(s): 伊藤周作、大槻東巳、小林浩二
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2017-03-18
• [Presentation] Comparative study of Weyl semimetal and topological/Chern insulators: bulk-edge correspondence and disorder effects (2017)
  • Author(s): K.-I. Imura, Y. Yoshimura, K. Kobayashi, T. Ohtsuki
  • Organizer: APS March Meeting 2017
  • Place of Presentation: New Orleans (USA)
  • Year and Date: 2017-03-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transport through domain-wall in disordered magnetic Weyl semimetals (2017)
  • Author(s): K. Kobayashi, Y. Ominato, K. Nomura
  • Organizer: 28th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁場乱れのあるトポロジカル絶縁体・ワイル半金属における量子輸送 (2017)
  • Author(s): 小林浩二、高垣雅紀、大湊友也、野村健太郎
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] マルチターミナル磁性ワイル半金属における量子伝導 (2017)
  • Author(s): 高垣雅紀、小林浩二、野村健太郎
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 乱れたディラック/ワイル半金属における量子拡散II (2017)
  • Author(s): 和田未来、小林浩二、大槻東巳
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Quantum transport in disordered magnetic Weyl semimetals with domain wall (2017)
  • Author(s): K. Kobayashi, Y. Ominato, K. Nomura
  • Organizer: Novel Quantum States in Condensed Matter 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anomalous transport in multi-terminal magnetic Weyl semimetal (2017)
  • Author(s): M. Takagaki, K. Kobayashi, K. Nomura
  • Organizer: Novel Quantum States in Condensed Matter 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum Diffusion of Disordered Weyl/Dirac Semimetal (2017)
  • Author(s): M. Wada, K. Kobayashi, T. Ohtsuki
  • Organizer: Novel Quantum States in Condensed Matter 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 強磁性ワイル半金属における磁気抵抗効果 (2017)
  • Author(s): 小林浩二
  • Organizer: 上智大学重点領域研究会 「トポロジカル関連物質における新奇な物理」
  • Invited
• [Presentation] サウレスポンピングを用いたワイル半金属における異常ホール効果の研究 (2016)
  • Author(s): 三澤貴宏、仲井良太、小林浩二、野村健太郎
  • Organizer: 第２回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-12-17
• [Presentation] ディラック・ワイル磁気接合系における異方的磁気伝導 (2016)
  • Author(s): 大湊友也、小林浩二、野村健太郎
  • Organizer: 第２回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-12-17
• [Presentation] 乱れたWeylセミメタルにおける異方的磁気伝導の数値的研究 (2016)
  • Author(s): 小林浩二、大湊友也、野村健太郎
  • Organizer: 第２回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-12-17
• [Presentation] Surface and edge transport in topological insulator nanofilms (2016)
  • Author(s): K. Kobayashi, M. Wada, Y. Yoshimura, T. Ohtsuki, K.-I. Imura
  • Organizer: Physics of bulk-edge correspondence and its universality
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府京都市）
  • Year and Date: 2016-09-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dimensional crossover of topological and transport properties in topological insulator and Weyl semimetal: highlights on the roles of bulk-edge correspondence (2016)
  • Author(s): Y. Yoshimura, W. Onishi, K. Kobayashi, K.-I. Imura, T. Ohtsuki
  • Organizer: Physics of bulk-edge correspondence and its universality
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府京都市）
  • Year and Date: 2016-09-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ワイル半金属とトポロジカル絶縁体の比較研究：薄膜・次元間クロスオーバーとバルクエッジ対応の観点から (2016)
  • Author(s): 吉村幸徳、尾西渉、小林浩二、大槻東巳、井村健一郎
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-16
• [Presentation] 乱れたディラック/ワイル半金属における量子拡散 (2016)
  • Author(s): 和田未来、小林浩二、大槻東巳
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-16
• [Presentation] ワイル半金属におけるLifshitz tailの数値的研究II：有限サイズ効果 (2016)
  • Author(s): 伊藤周作、大槻東巳、小林浩二
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 磁性ワイル半金属接合系における量子伝導 (2016)
  • Author(s): 大湊友也、小林浩二、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（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 乱れのあるワイル半金属における異方的磁気伝導 (2016)
  • Author(s): 小林浩二、大湊友也、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（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Dimensional crossover of spin transport in topological insulator nanofilms (2016)
  • Author(s): K. Kobayashi1, M. Wada, Y. Yoshimura, T. Ohtsuki, K.-I. Imura
  • Organizer: 9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2016-08-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Density of state scaling near the critical point in disordered Weyl/Dirac semimetals (2016)
  • Author(s): K. Kobayashi, T. Ohtsuki, K.-I. Imura, I. Herbut, K. Nomura
  • Organizer: Summit of Materials Science 2016
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-05-18
  • Int'l Joint Research