| Project/Area Number |
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 | Institute of Physical and Chemical Research (2023)
The University of Tokyo (2021-2022) |
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Principal Investigator |
仲澤 一輝 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 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 2023)
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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 | カイラリティー / 異常ホール効果 / 非線形輸送現象 / 第一原理計算 / トポロジカル半金属 / ワイル半金属 / 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 |
今年度は所属が変わり、新しい研究テーマも交えながら、引き続き物質中の輸送特性の研究を推進した。
まず、半導体ナノ構造中において、多種のスピン軌道相互作用と外部磁場のもとでの直流電場の2次に対する応答を、バンド間効果も含めた微視的な枠組みの下で調べた。従来のボルツマン輸送理論による解析と比較し、半導体ナノ構造における非線形輸送現象に対するバンド間効果の重要性を指摘した。また、スピン軌道相互作用の種類によって磁場依存性が大きく異なることを示し、非線形輸送現象を用いたスピン軌道相互作用の大きさや種類の検出可能性を議論した。この成果は現在論文準備中で次(2024)年度の出版を目指している。
並行して、前年度に定式化された電場と温度勾配の外積に比例する電流応答である「非線形カイラル熱電(NCTE)ホール効果」の、第一原理計算を用いた定量解析に取り組んだ。具体的には、カイラルな結晶構造をもつTeやB20型化合物CoSiといった物質において、実験でも観測可能な電流値を得た。また、この現象における軌道磁気モーメントの重要性を指摘した。また、NCTEホール効果と電場の2次の電流応答の輸送特性としての違いを、対称性による観点も含めて調べた。この成果はTeに関してはプレプリントサーバーarXivにアップロードして公開し、CoSiについても現在準備中である。
さらに、本年度はB20型化合物FeGeにおける圧力下物性の実験を受けて第一原理計算を行い、実験結果と整合する結果を得たほか、spin-1励起というバンド構造に存在する特異点のエネルギー位置を圧力でコントロールできる可能性を指摘した。この論文もarXivにアップロードされ公開されている。
他、前年度から引き続き行っている研究成果も数件arXivにて公開した。これら未出版もしくは準備中の成果はいずれも次(2024)年度の出版を目指している。
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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
当初の目標の一つである非線形領域の輸送現象（電場の2次以上に対する応答）を調べることについてはプロトコルが形成されつつある。微視的定式化に基づいて数値計算を行うことができ、具体的な物質に興味がある場合には第一原理計算によって定量的な解析ができるようになり、実際に（未出版だが）プレプリントとして公表した段階である。従って、次年度以降の展性も充分期待されるため、本研究は概ね淀みなく進捗していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
非線形輸送現象が微視的に定式化されていることから、これまで線形応答領域でしか調べられてこなかった現象（アンダーソン局在、近藤効果etc.）を非線形領域に拡張し、かつ量子効果（バンド間効果、不純物散乱など）を含めて調べることができる。さらに、こういった現象をメゾスコピックな系において調べることも考えている。最近ランダウアービュティカー法のような現象を非線形領域に拡張した研究もおこなわれており、このようなフォーマリズムを適用して系統的な調査を行うことも考えられる。
電場と温度勾配の両方に起因する非線形輸送現象に関しては、これまではそれらの外積に比例する寄与（反対称成分）に着目してきたが、対称成分に関する考察も現在進んでおり、反対称成分には存在しないバンド非対称性による寄与が存在することを具体的に示している。これを受けて、これまでに我々が調べたTeやB20型化合物をはじめ、2次元物質にも適用してその振る舞いを調べることも考えている。
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