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Interplay between topology and thermal fluctuation in skyrmion-hosting materials

Research Project

Project/Area Number 20K14410
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

Oike Hiroshi  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (70725283)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywordsトポロジー / 非平衡 / 磁性 / 準安定 / 熱ゆらぎ / スキルミオン / ゲージ場 / ベリー位相 / ホール効果 / 熱電効果 / 相転移 / 非平衡現象 / 急冷 / 磁気スキルミオン
Outline of Research at the Start

本研究課題では、トポロジーと熱ゆらぎの協奏によって生まれる現象を探索する。対象物質は、特殊な磁気構造のトポロジーに由来した創発磁場を示す物質の中でも、特に不純物による伝導電子の散乱頻度が少ないカイラル磁性体MnSiとした。温度上昇に対する創発磁場の変化を、不純物添加量に対する変化と比較することで、熱ゆらぎが創発磁場に与える影響を顕在化させる。さらに、熱流下における伝導電子の振る舞いを電流下の振る舞いと比較することで、創発磁場が伝導電子に与える影響を多角的に調べる。熱流と電流が異なるエネルギー分布の伝導電子の運動を誘起することを利用し、熱ゆらぎに影響された創発磁場の素性を明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this project is to search for electromagnetic response derived from interplay between topology and thermal fluctuations. Conduction electrons in skyrmion materials are confined in a topological space that is different from those in vacuum, and consequently behave as if they feel a magnetic field. In the present study, the effect of thermal fluctuations on this emergent magnetic field was examined from both experimental and theoretical aspects. It was found that the strength of the emergent magnetic field weakens with increasing temperature, and suggested that the temperature dependence is due to topology changes caused by thermal fluctuations. These results mean that the effects of thermal fluctuations, which have not been considered much in the study of topological properties, are important for quantitative understanding and designing of them in materials at finite temperatures.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の学術的意義は、理想的な系の考察に基づく「トポロジー」という概念と、現実の系に内在する「ゆらぎ」という概念を融合させたことである。このような異なる前提から導かれた概念を融合することは、新たな研究領域の開拓に繋がる可能性を秘めている。また、本研究の社会的意義は、トポロジカルな性質に基づく材料開発の新たな指針を提示したことである。磁気スキルミオン物質中における電子の応答は、熱電変換の新原理としての応用が期待される一方で、低温極限でしか定量的な理解が実現されていなかった。本研究で定量評価が可能な温度域を拡張したことは、高効率な熱電変換材料の設計指針の確立に繋がると考えている。

Report

(3 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2022 2021

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (12 results) (of which Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Real-Space Observation of Emergent Complexity of Phase Evolution in Micrometer-Sized IrTe2 Crystals2021

    • Author(s)
      Oike H.、Takeda K.、Kamitani M.、Tokura Y.、Kagawa F.
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 127 Issue: 14 Pages: 145701-145701

    • DOI

      10.1103/physrevlett.127.145701

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Kinetic pathway facilitated by a phase competition to achieve a metastable electronic phase2021

    • Author(s)
      Matsuura Keisuke、Oike Hiroshi、Kocsis Vilmos、Sato Takuro、Tomioka Yasuhide、Kaneko Yoshio、Nakamura Masao、Taguchi Yasujiro、Kawasaki Masashi、Tokura Yoshinori、Kagawa Fumitaka
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 103 Issue: 4

    • DOI

      10.1103/physrevb.103.l041106

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] MFMによる(Fe0.95Zn0.05)2Mo3O8の磁気ドメインの実空間観測2022

    • Author(s)
      西澤葉, 松浦慧介, 大池広志, 三宅厚志, 徳永将史, 車地崇, 十倉好紀, 賀川史敬
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 準安定スキルミオンの電流下での崩壊過程に関するFIB試料を用いた研究2022

    • Author(s)
      古澤千晶, 大池広志, 佐藤拓朗, 松浦慧介, 吉川明子, 田口康二郎, 十倉好紀, 賀川史敬
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 遷移金属カルコゲナイドMTe2(M=Mo,Ir)の走査型ラマン像測定による格子歪みの相転移ダイナミクスへの影響の研究2022

    • Author(s)
      武田和大, 大池広志, 上谷学, 十倉好紀, 賀川史敬, Meng Wang, Shuyun Zhou
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] (DMe-DCNQI-d8)2Cuにおける電流印加下の非平衡定常状態のラマンイメージング2022

    • Author(s)
      森春仁, 武田和大, 大池広志, 賀川史敬, 房前勲, 鈴木雄介, 伊藤哲明, 加藤礼三
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] WドープVO2薄膜における相競合を利用した準安定金属状態の生成2022

    • Author(s)
      高橋安徳, 大池広志, 諏訪秀麿, 渋谷圭介, 賀川史敬
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] CuPyで高速化したPythonコードを用いた量子物質の過冷却現象の研究2021

    • Author(s)
      大池広志
    • Organizer
      NVIDIA秋のHPCWeeks
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    • Invited
  • [Presentation] 有機強相関電子系における新奇電子相の開拓と制御に関する研究2021

    • Author(s)
      大池広志
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
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      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 非平衡動力学に基づいた不揮発量子相制御2021

    • Author(s)
      大池広志
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
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      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] フェーズフィールド法を用いた1次相転移ダイナミクスの体積・冷却速度依存性の研究2021

    • Author(s)
      西澤葉, 大池広志, 賀川史敬
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
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  • [Presentation] 準安定スキルミオンの崩壊過程のLLGシミュレーションによる研究2021

    • Author(s)
      古澤千晶, 大池広志, 賀川史敬
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] MnSiにおける準安定磁気スキルミオン相で生じるトポロジカルネルンスト効果2021

    • Author(s)
      海老野哲朗, 大池広志, 吉川明子, 田口康二郎, 十倉好紀, 賀川史敬
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] IrTe2微小結晶における確率的相転移ダイナミクスの実空間観測2021

    • Author(s)
      武田和大, 大池広志, 上谷学, 十倉好紀, 賀川史敬
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
    • Related Report
      2020 Research-status Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2023-01-30  

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