| Project/Area Number |
21K03466
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
古賀 幹人 静岡大学, 教育学部, 教授 (40324321)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松本 正茂 静岡大学, 理学部, 教授 (20281058)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
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| Keywords | 磁性 / スピン四極子 / 超音波共鳴 / ダイヤモンドNV中心 / シリコンカーバイド / 四極子秩序 |
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| Outline of Research at the Start |
最近、ギガヘルツ領域での超音波技術の進展により、電子スピンの隠れた自由度として四極子が注目され、量子状態のより多彩な検出や制御を目指した研究が活発化している。
本研究では、量子制御の有力候補であるNV中心のスピン－音波結合を解明するために、超音波共鳴の磁場方向依存性を活用した新たな測定法を提案する。さらに、f電子系などの様々な結晶場における磁性多重項へと理論を拡張し、理論の具体的な応用として、セリウム系や複合スピン系を対象とした磁性体に潜む四極子の検出法を提案する。
以上、本研究は将来の量子ビットに対する基盤技術として音波制御の土台を築くとともに、磁性体の新奇物性を開拓する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和5年度の前半は、令和4年度に実施した研究成果をもとに新たな研究を展開した。具体的には、NV中心と呼ばれるダイヤモンド内窒素－空孔複合体の空孔スピン三重項状態と同じく、超音波によって誘起される格子歪みに敏感なシリコン・カーバイド（SiC）のSi欠陥に生じるスピン四重項状態に対して、本研究の独自の視点である磁場方向分解超音波共鳴の基礎理論を適用した。特に、未確定のスピン－格子歪み相互作用の結合定数を評価する解析方法を提案した。これは、2020年に報告された磁場回転によるスピン音波共鳴の測定を受けて急遽研究計画に追加した研究である。スピンのもつ四極子自由度が測定にどのように現れるか、3回対称性のある結晶軸と超音波の進行方向とを考慮して詳細に検討した点は、将来の超音波によるスピン制御に向けた重要な研究成果である。
Si欠陥スピンのような磁気四重項では、四極子自由度よりもさらに高次の八極子自由度もスピンの隠れた自由度として超音波共鳴による観測が期待される。令和5年度の後半では、四極子物性として盛んに研究されたCe系の結晶場四重項に起因する多極子自由度が、超音波共鳴にどのように現れるか、またその測定の可能性についても検討している。
令和4年度から取り組んできたNV中心に関する研究成果、および令和5年度に主に取り組んだSiCに関する研究成果は、学術雑誌論文として出版された。令和5年度においては、後者の研究について、日本物理学会で成果発表を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和5年度内においては、海外での研究進展の動向に鑑み、SiCのSi欠陥スピンに関する超音波共鳴の理論構築に取り組んだ。当初計画にはなかった研究にも着手した結果、スピン四極子に関する新たな知見を得るとともに、実際の実験解析に有用な解析手法を確立し、その研究成果を学術論文として発表することができた。また、この成果によって、次に予定しているCe系等の結晶場四重項に対する超音波共鳴について、実際にどのような実験手段が可能か、見通しよく理論を構築することが可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、SiCのSiC欠陥に生じるスピンの超音波共鳴について、実験と比較可能な理論を構築したのきっかけに、本研究計画の対象物質であるCe系の結晶場磁性四重項を新たなターゲットとして精査していく予定である。特に、Ce系の結晶場四重項に起因する四極子秩序の最近のミクロ測定として、電子スピン共鳴が報告され、その相補的な測定手段として超音波共鳴の可能性を検討することも重要である。特に、結晶場四重項では、四極子よりも高次であり隠れた自由度として知られる八極子にも焦点を当て、その実験的検出の可能性についても調べる。
さらに、当初の研究計画として実施予定である、複数のスピンが絡み合う複合スピン系の多極子自由度に向けた理論構築に取り組んでいく。具体的には、ネマティック秩序や電気磁気効果を引き起こす四極子の検出に向けた超音波共鳴の理論構築を目指す。
以上、単一スピンから結晶場多重項、さらに複合スピン系に至るまで、スピン四極子の性質が超音波によってどのような測定が可能か明らかにする。さらに電磁波と超音波を組み合わせたより広範な測定手段の実現性についても検討していく。
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