Analysis of transport phenomena in topological materials using real-time evolution of quantum systems

• Project/Area Number: 19K03739
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Waseda University (2020); The University of Tokyo (2019)
• Principal Investigator: 三澤 貴宏 早稲田大学, 理工学術院, 主任研究員(研究院准教授) (10582687)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: トポロジカル物質 / トポロジカルディラック半金属 / スピン流 / スピントロニクス / 量子輸送 / ワイル半金属 / 輸送現象 / 非平衡

Outline of Research at the Start

トポロジカル物質の新現象・新機能発見と多機能デバイスへの応用の実現を目標として、量子系の実時間発展を用いた電荷およびスピンダイナミクスの解析を行う。とくに、強磁性体/トポロジカル物質の接合系において電気とスピンが強く結合した新輸送現象が可能かを、数値シミュレーションを用いて検証する。これらの解析結果をもとに、スピンと電荷が強く結合した新奇量子輸送現象を用いた高精度低損失磁気デバイスへの応用の理論的基盤を構築する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の目的はトポロジカル物質の特異な表面状態を利用した新奇輸送現象の解析を量子系の実時間発展を用いて明らかにすることである。開発をおこなった量子系の実時間発展のコードを用いて、強磁性体と接合したトポロジカルディラック半金属の実時間発展を記述する時間依存シュレディンガー方程式を数値的に解くことで、トポロジカルディラック半金属において生じる電流・スピン流の解析を行った。その結果、強磁性体で発生する振動磁場によって半量子化された電流及びスピン流がトポロジカルディラック半金属に誘起されることを示した。化学ポテンシャルに乱れを導入したシミュレーションを行い、この電流・スピン流は乱れに非常に強いことをしめした。また、スピン流伝搬の解析を行い、スピン流はほぼ減衰することなく長距離を伝搬できることも示した。さらに、このスピン流が反対側の強磁性体のスピンに対して、どのように影響を及ぼすかも、ランダウ-リフシッツ-ギルバート方程式と時間依存シュレディンガー方程式を連立して解くことで解析した。その結果、半量子化したスピン流の伝搬によって、半量子化されたトルクが生じることを明らかにした。
従来、スピントロニクスの研究ではスピン流の生成源として金属や磁性絶縁体を用いることが多いが、これらの物質では乱れの効果や格子振動によるスピン流の減衰が大きいことが知られており、スピン流を用いた効率的な集積デバイスを作るうえでの障害となっていた。本研究成果は、トポロジカルディラック半金属を用いることで、このスピン流の減衰の問題を解決できることを示しており、トポロジカルディラック半金属を用いた革新的なスピントロニクスデバイス開発の可能性を切り拓いたといえる。

Research Products

• [Journal Article] Dynamical spin-to-charge conversion on the edge of quantum spin Hall insulator (2020)
  • Author(s): Araki Yasufumi、Misawa Takahiro、Nomura Kentaro
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Issue: 2 Pages: 023195-023195
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.023195
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electronic correlation and geometrical frustration in molecular solids: A systematic ab initio study of β′-X[Pd(dmit)2]2 (2020)
  • Author(s): Misawa Takahiro、Yoshimi Kazuyoshi、Tsumuraya Takao
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Issue: 3 Pages: 32072-32072
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.032072
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Correlation effects on the magnetization process of the Kitaev model (2020)
  • Author(s): Ido Kota、Misawa Takahiro
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Issue: 4 Pages: 045121-045121
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.045121
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge dynamics of correlated electrons: Variational description with inclusion of composite fermions (2020)
  • Author(s): Ido Kota、Imada Masatoshi、Misawa Takahiro
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Issue: 7 Pages: 075124-075124
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.075124
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Real-time evolution and quantized charge pumping in magnetic Weyl semimetals (2019)
  • Author(s): Misawa Takahiro、Nakai Ryota、Nomura Kentaro
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 100 Issue: 15 Pages: 1551231-9
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.155123
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Semi-quantized Spin Pumping and Spin-Orbit Torques in Topological Dirac Semimetals (2019)
  • Author(s): Misawa Takahiro、Nomura Kentaro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 196591-8
  • DOI: 10.1038/s41598-019-55802-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] トポロジカル絶縁体におけるグリーン関数のゼロとエッジ状態の関係 (2021)
  • Author(s): 三澤貴宏
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Pd(dmit)2系分子性導体に対する第一原理有効ハミルトニアンの系統的導出と解析 (2020)
  • Author(s): 三澤貴宏
  • Organizer: 物性研究所短期研究会 「量子多体計算と第一原理計算の新展開」
• [Presentation] Development of open-source software packages for quantum lattice models and their applications to quantum spin liquids (2019)
  • Author(s): Takahiro Misawa
  • Organizer: Computational Approaches to Quantum Many-body Problems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of many-variable variational Monte Carlo method (mVMC) and its applications to high-Tc cuprates (2019)
  • Author(s): Takahiro Misawa
  • Organizer: Frontiers of Correlated Electron Sciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多変数変分モンテカルロ法を用いた銅酸化物高温超伝導体の第一原理有効ハミルトニアンの解析 (2019)
  • Author(s): 三澤 貴宏 平山 元昭、大越 孝洋、山地 洋平, 今田 正俊
  • Organizer: 電子相関が生み出す超伝導現象の未解決問題と新しい潮流
• [Remarks] 研究代表者のwebページ
  • URL: https://sites.google.com/view/takahiromisawa
• [Remarks] PCoMS home page
  • URL: http://pcoms.issp.u-tokyo.ac.jp
• [Remarks] PCoMS home pager (personal)
  • URL: http://pcoms.issp.u-tokyo.ac.jp/cultivation/youngresearchersmisawateam/members/misawa