パルス印加による恒常的量子相変換の学理創成と再構成可能な非散逸電流回路への展開

• Project/Area Number: 21H04442
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Institute of Science Tokyo (2022-2024); The University of Tokyo (2021)
• Principal Investigator: 賀川 史敬 東京工業大学, 理学院, 教授 (30598983)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥40,950,000 (Direct Cost: ¥31,500,000、Indirect Cost: ¥9,450,000); Fiscal Year 2024: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2023: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2022: ¥13,910,000 (Direct Cost: ¥10,700,000、Indirect Cost: ¥3,210,000); Fiscal Year 2021: ¥15,600,000 (Direct Cost: ¥12,000,000、Indirect Cost: ¥3,600,000)
• Keywords: 相転移 / 非散逸 / トポロジカル / 準安定 / 創発インダクタ / ドメインエンジニアリング / 相制御 / 実空間観測 / 急冷 / ヒステリシス / 磁気スキルミオン / 超伝導 / 相転移ダイナミクス

Outline of Research at the Start

物質の静的な性質は系の置かれた環境によって通常一意に決まる。しかし最近、物質に電流・光などの刺激をパルス的に加えるとパルス印加前後で静的な性質が変化する例が次々と見出されている。本研究では、このパルス印加によって相が恒常的な変化を起こす機構の学理を探究する。具体的には、局所的な相制御によって異なる相の任意パターニングが可能になるレベルまで学理を深化させ、この局所相制御の基盤技術を超伝導相とトポロジカル電子相それぞれに対して適用することで、再構成可能かつジュール発熱などのエネルギー散逸を伴わない電流回路創出の原理実証を行う。

Outline of Annual Research Achievements

・走査型ラマン顕微鏡を立ち上げ、その際のテスト試料として、DMe-(DCNQI)2Agを対象とし、室温において空間分解能400nm程度のラマン像の取得に成功した。 また、theta-(ET)2RbZn(SCN)4という物質において、東工大を表わす「TIT」の文字を準安定電荷ガラス相で書き込み、その様子をラマンイメージングで可視化することに成功した。この書き込みは準安定相を用いて行ったものであり、昇温によってリセットが行えるため、再構成可能な書き込みとなっている。
・らせん磁性や磁気スキルミオンといった非共線な磁気構造に電流を印加すると、スピン移行トルク効果によって、磁気秩序に電流誘起の歪みが現れる。外部電流を交流にすると、磁気秩序は時間的にゆっくり変動するダイナミクスを示し、スピン移行トルクの逆効果として、時間依存する創発ベクトルポテンシャル、すなわち電場が生じる。このような効果から生じる創発電場により、特に交流電流印加の場合、非散逸な交流電場が生じることとなり、すなわちインダクタ応答が発現する。この非散逸な創発交流電場は、電流の時間波形や強度を制御することで、相転移を伴わない線形応答の範囲で生じうる。本年度はこの電場の発現機構やその性質について、マイクロマグネティックシミュレーションの立場から理解を深化させることを行い、いわゆる創発インダクタの低周波領域における自己インダクタンス係数Lのエネルギー的な定義を提唱した。ピン止め領域のヘリカル磁気テクスチャの場合について、その妥当性を数値的に調べた。創発インダクタンスを、創発電場から、またスピン系エネルギーから、それぞれ独立に計算した。磁性体のエネルギー増加から求めたインダクタンスと、創発電場から求めたインダクタンスは、特にスピンテクスチャーがゆっくり変化し、系が断熱極限にある場合、数値誤差の範囲内で一致することがわかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

走査型ラマン顕微鏡については、装置の移設後の動作不良が無事解消し、電荷ガラス相のin-situでの書き込み・可視化に成功したものの、超伝導相やトポロジカル相の書き込み自体には未だ成功していない。この点については、申請時の計画通りには進んでいない。
一方、申請時よりも研究スコープを広げ、走査型ラマン顕微鏡が不調になった場合を想定して始めた創発インダクタの研究については、まずはマイクロマグネティックシミュレーションから始めたこともあり、極めて順調に進んでおり、査読付き論文を２本発表することができている。以上より、当初の予定通りではないが、総合的に見て、概ね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

・走査型ラマン顕微鏡を用いたin-situな準安定相書き込みやその可視化に向けた測定を継続して行う。場合によっては、比較的低い臨界冷却速度を持つ物質の選択を再検討する、または、外場によって準安定性を制御することを模索する。
・創発インダクタに関しては、マイクロマグネティックシミュレーションにより、原理的な側面を明らかにすることはできたので、今後は実験での実証を目指す。パーマロイなどの標準的な強磁性体を細線状に加工したものに対してインダクタンスの測定を行う。具体的には(i)様々な幅のパーマロイ細線に対して測定を行い、創発インダクタンスの試料断面積依存性の解明、(ii)ローレンツ透過型電子顕微鏡による実空間観測を行い、非共線磁気構造の担い手である磁壁と創発インダクタンスの相関の解明、の２項目を実施する。マルチドメイン構造の制御と創発インダクタンスとの相関を明らかにすることで、非散逸なインダクタ応答の制御を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Low-temperature hysteresis broadening emerging from domain-wall creep dynamics in a two-phase competing system (2023)
  • Author(s): Matsuura Keisuke、Nishizawa Yo、Kinoshita Yuto、Kurumaji Takashi、Miyake Atsushi、Oike Hiroshi、Tokunaga Masashi、Tokura Yoshinori、Kagawa Fumitaka
  • Journal Title: Communications Materials Volume: 4 Issue: 1 Pages: 71-71
  • DOI: 10.1038/s43246-023-00399-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Energetic perspective on emergent inductance exhibited by magnetic textures in the pinned regime (2023)
  • Author(s): Furuta Soju、Moody Samuel Harrison、Kado Kyohei、Koshibae Wataru、Kagawa Fumitaka
  • Journal Title: npj Spintronics Volume: 1 Issue: 1 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1038/s44306-023-00004-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Symmetry of the emergent inductance tensor exhibited by magnetic textures (2023)
  • Author(s): Furuta Soju、Koshibae Wataru、Kagawa Fumitaka
  • Journal Title: npj Spintronics Volume: 1 Issue: 1 Pages: 3-3
  • DOI: 10.1038/s44306-023-00001-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermodynamic determination of the equilibrium first-order phase-transition line hidden by hysteresis in a phase diagram (2023)
  • Author(s): Matsuura Keisuke、Nishizawa Yo、Kriener Markus、Kurumaji Takashi、Oike Hiroshi、Tokura Yoshinori、Kagawa Fumitaka
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1038/s41598-023-33816-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nonthermal current-induced transition from skyrmion lattice to nontopological magnetic phase in spatially confined MnSi (2022)
  • Author(s): Sato Takuro、Koshibae Wataru、Kikkawa Akiko、Taguchi Yasujiro、Nagaosa Naoto、Tokura Yoshinori、Kagawa Fumitaka
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 14 Pages: 144425-14425
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.144425
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Topological Nernst effect emerging from real-space gauge field and thermal fluctuations in a magnetic skyrmion lattice (2022)
  • Author(s): Oike H.、Ebino T.、Koretsune T.、Kikkawa A.、Hirschberger M.、Taguchi Y.、Tokura Y.、Kagawa F.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 106 Issue: 21 Pages: 214425-214425
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.214425
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Real-Space Observation of Emergent Complexity of Phase Evolution in Micrometer-Sized IrTe2 Crystals (2021)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 強磁性体CoFeBの交流下創発電場応答の測定 (2023)
  • Author(s): 門恭平, 松浦慧介, 賀川史敬
  • Organizer: 日本物理学会「秋季大会」
• [Presentation] らせん磁性創発インダクタンスのエネルギー的考察 (2023)
  • Author(s): 古田爽樹, Samuel Moody, 門恭平, 小椎八重航, 賀川史敬
  • Organizer: 日本物理学会「秋季大会」
• [Presentation] Emergent Electromagnetic Induction in Noncollinear Spin Textures (2023)
  • Author(s): Fumitaka Kagawa
  • Organizer: 2023 Topological and Correlated Matter GRC
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Current-driven nonvolatile phase change of electronic/magnetic/superconducting states (2023)
  • Author(s): Fumitaka Kagawa
  • Organizer: 2023 MRS Spring Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ローレンツ透過型電子顕微鏡法によるらせん磁気構造及びスキルミオンの交流電流下非相反応答の実空間観測 (2023)
  • Author(s): 古田爽樹, Yao Guang, 中島清美, 軽部皓介, 田口康二郎, 十倉好紀, Xiuzhen Yu, 賀川史敬
  • Organizer: 日本物理学会「春季大会」
• [Presentation] 磁気構造における創発インダクタンステンソルの対称性 (2023)
  • Author(s): 古田爽樹, 小椎八重航, 賀川史敬
  • Organizer: 日本物理学会「春季大会」
• [Presentation] ヒステリシス領域に埋もれた平衡一次相転移線の熱力学的決定 (2023)
  • Author(s): 松浦慧介, 西澤葉, Markus Kriener, 車地崇, 大池広志, 十倉好紀, 賀川史敬
  • Organizer: 日本物理学会「春季大会」
• [Presentation] 相競合を有する系での磁気ドメイン成長と低温ヒステリシス拡大 (2023)
  • Author(s): 松浦慧介, 西澤葉, 木下雄斗, 三宅厚志, 徳永将史, 車地崇, 大池広志, 十倉好紀, 賀川史敬
  • Organizer: 日本物理学会「春季大会」
• [Presentation] 一次相転移動力学の再現性とサイズ効果のフェーズフィールドシミュレーション (2023)
  • Author(s): 大池広志, 西澤葉, 賀川史敬
  • Organizer: 日本物理学会「春季大会」
• [Presentation] (DMe-DCNQI-d8)2Cuにおける電流誘起伝導状態の安定性解析：内因性と外因性 (2023)
  • Author(s): 森春仁, 岩本直大, 大池広志, 賀川史敬, 鈴木雄介, 伊藤哲明, 加藤礼三
  • Organizer: 日本物理学会「春季大会」
• [Presentation] MnSiの準安定スキルミオン相における巨大なネルンスト効果 (2022)
  • Author(s): 大池広志, 海老野哲朗, 是常隆, 吉川明子, Max Hirschberger, 田口康二郎, 十倉好紀, 賀川史敬
  • Organizer: 日本物理学会「秋季大会」
• [Presentation] 高分解能ラマンイメージングによるθ-(BEDT-TTF)2RbZn(SCN)4の電荷の結晶化の実空間・実時間観察 (2022)
  • Author(s): 馬場智大, 村瀬秀明, 大池広志, 賀川史敬, 宮川和也, 鹿野田一司
  • Organizer: 日本物理学会「秋季大会」
• [Presentation] (DMe-DCNQI-d8)2Cuにおける電流誘起伝導状態の安定性 (2022)
  • Author(s): 森春仁, 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「秋季大会」
• [Presentation] スピン模型における相競合に由来する準安定性のモンテカルロシミュレーション (2022)
  • Author(s): 高橋安徳, 大池広志, 諏訪秀麿, 賀川史敬
  • Organizer: 日本物理学会「秋季大会」
• [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2022年年次大会
• [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2022年年次大会
• [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2022年年次大会