Quantum transport phenomena induced by topological spin textures
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21K13875
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
仲澤 一輝 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任研究員 (70884964)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2025: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | ワイル半金属 / 異常ホール効果 / 非線形輸送現象 / スピンカイラリティー / スピン流 / 反強磁性体 / キタエフ模型 / 非線形輸送 / トポロジカルスピンホール効果 / マヨラナ粒子 / スピン軌道相互作用 / トポロジカルホール効果 |
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| Outline of Research at the Start |
電子などの量子力学的（準）粒子が電荷・スピン・熱などの情報を運ぶ現象を量子輸送現象とよび，物質中の磁化構造などの検出に用いられている．近年，実験技術や物質開拓の進歩によって物質が多様化したことで，物質中の様々なパラメータ（電子と磁化構造の相互作用，不純物散乱等による電子の運動量緩和，磁化構造の周期など）に対する輸送現象の包括的な理解が求められている．本研究では主にトポロジカルな磁化構造をもつ磁性体を対象に，電子やスピンの輸送現象の物理的な描像が，物質パラメータの変化に対してどのように変化するか調べる．
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| Outline of Annual Research Achievements |
まず，前年度から研究を行っていたキタエフ模型に対する交代磁場下での非相反熱輸送を調べた論文がPhysical Review B誌に出版された．さらに，反強磁性金属におけるネールベクトルのベクトルカイラリティーが誘起するトポロジカルスピンホール効果についての研究も取りまとめを行い，プレプリントサーバarXivにて公開した．
本年度は主に（１）強磁性ワイル半金属Co3Sn2S2の原子層薄膜におけるトポロジカル物性の原子層数依存性，（２）Co3Sn2S2におけるワイル状態の磁化角度依存性，（３）電場と熱勾配に誘起されるカイラル物質における非線形応答現象，の3テーマについて研究を推進し，結果の取りまとめの段階に到達したので報告する．
（１）前年度調べた単層・2層の結果に加え，3層膜においても計算を行い，薄膜表面原子がSnで終端されるの場合とSで終端される場合で磁性・バンドトポロジー・輸送特性などの層数依存性に顕著な違いが現れることを見出した．この成果は，Communications Physicsに投稿し，arXivにて公開した．
（２）単層とバルク系でワイル状態の磁化角度依存性を調べ上げ，特にSn終端の系で磁化角度を変えることでトポロジカル転移が起き，様々な量子異常ホール状態が実現することを見出した．現在論文準備中である．
（３）カイラル結晶において，電場と熱勾配の外積に平行な方向に誘起されるホール効果をケルディッシュの方法を用いて定式化し，これまで見逃されていた軌道磁気モーメントの寄与を見出した．また，具体的なモデルにおいてその大きさを評価し，検出可能であることを示した．この内容はPhysical Review Letter誌に投稿した．
このほかにもカイラル磁性体における同様の非線形応答現象の定式化や，非線形輸送現象の第一原理計算による定量的評価を試みる段階まで来た．
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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
キタエフ模型における非相反熱輸送（温度勾配の2次）はボルツマン方程式による定式化であるが，ここで得られた結果はケルディッシュ形式における定式化を行う上で非常に貴重なベンチマークであるため，これが出版されたことには価値がある．また，反強磁性体におけるトポロジカルスピンホール効果やカイラル結晶での非線形輸送現象の研究は，当初の目標であるトポロジカル磁気構造における量子輸送現象の解明につながる結果であるため，投稿までこぎつけたことは大きな一歩である．さらに，Co3Sn2S2における第一原理計算を用いた解析結果が纏まりつつあり，輸送特性を具体的な物質で定量評価する手法が整いつつあることも大変意義がある進展である．本年度のアウトプットはどれも本プロジェクトの最終目標である「様々な物質（パラメータ）における量子輸送現象の物理的描像の解明」の達成に資する結果であり，おおむね順調に進んでいると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は，具体的な物質において第一原理計算（DFT計算->Wannier模型の構築）をおこなって輸送特性の定量評価の準備をする．この際手始めに，本年度取りまとめた電場と熱勾配の両方に誘起されるホール効果をいくつかのカイラル結晶において計算して，実験と比較できる結果を導くことを目指す．同時に，長周期の磁気構造における非線形輸送現象を連続体モデルにおいて計算する．この結果から，長周期模型が破綻する磁化構造の波長を見積もり，それ以下の波長では格子模型を用いる．連続模型と格子模型のそれぞれにおける解析を有効的に組み合わせることで，短周期から長周期の磁化構造にわたる具体的物質における輸送特性の定量評価の可能性を検討する．また，光学応答も視野に入れ，有限周波数を取り扱えるように定式化の拡張を目指す．
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Report
(2 results)
Research Products
(12 results)
