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Theory of emergent inductor and capacitor based on topological materials science

Research Project

Project/Area Number 22K03538
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
Research InstitutionJapan Atomic Energy Agency

Principal Investigator

荒木 康史  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究副主幹 (10757131)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Keywordsトポロジカル絶縁体 / スピントロニクス / 磁性体 / 創発インダクタ / スピン軌道相互作用 / 磁性 / トポロジカル物質
Outline of Research at the Start

「インダクタ」及び「キャパシタ」は、あらゆる電子回路に欠かせない回路素子である。本研究では、インダクタ・キャパシタの周波数特性機能を大幅に小型・省電力で実現する、『創発インダクタ・キャパシタ』を創出することを目的とする。低損失な電流を可能とする固体中の電子の性質「トポロジー」と、磁性体の持つ磁化の間に働く相互作用を利用して、「創発インダクタ・キャパシタ」の理論を構築する。更に、数値シミュレーションや実験等による実証を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

2023年度はトポロジカル電磁応答に由来した創発インダクタンスの理論構築を進めると共に、創発インダクタンスの実験測定を目指し、実験研究者と共同研究を行った。
基礎理論として、前年度から引き続き行っていた「トポロジカル場の理論」に基づく創発インダクタンスの定式化を完成させ、論文として発表した。この基礎理論はあらゆる種類のトポロジカル物質に適用できる理論の枠組みを提供するものであり、具体的な物質への実装に向け実験研究者と議論を重ねている。
また、創発インダクタンスの素過程であるスピン起電力について、磁性ワイル半金属中で磁壁がある場合における理論計算を行った。ワイル半金属に特有の「カイラルゲージ場」の効果により、スピン起電力は従来の数百倍という極めて大きな効果が得られることを示した。この研究成果は日本物理学会で発表を行い、現在論文を投稿中である。
実験研究者との共同研究として、創発インダクタの構成要素として必要となる、スピン軌道相互作用に由来した磁化ダイナミクス(スピン軌道トルク)の効果を検証した。膜厚勾配のあるトポロジカル絶縁体薄膜を使うことにより、対称性の低下に起因して従来理論では予測されていなかった方向のスピン成分が実現されることを、実験結果と対称性に基づく理論解析の比較により実証した。この成果については日本物理学会で発表を行い、現在論文を投稿中である。
また、磁気構造の制御に伴って変化する量子構造「量子計量」の効果について、モデル計算を行い、実験測定との対照により検証した。この成果は東北大学の実験グループと共同で論文にまとめ、Nature Physics誌に掲載された(2024年4月掲載)。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

2023年度は本研究計画の2年目として、創発インダクタンスの基礎理論を完成させ、その実験による実証に向け具体的な測定系を想定した計算を行う予定であった。基礎理論については論文として公開され、ワイル半金属におけるモデル計算を行った他、実験グループとの共同研究も複数進行している。そのため、おおむね研究計画通り順調に進展していると評価できる。

Strategy for Future Research Activity

2024年度は、以下の方策で研究を行うことを計画している。
(1) 具体的な物質系でのインダクタンス測定に先立ち、物質が持ちうるインダクタンスの成分について、対称性に基づいて定式化を行う。金属と磁性体薄膜のヘテロ構造を想定し、最初に素過程として許容されるスピン軌道トルクとスピン起電力について、点群(または磁気点群)による分類を行う。これを用いて、創発インダクタンスで許容されるテンソル成分を求める。
(2) 特に磁性ワイル半金属で現れる電流誘起のスピン移行トルクについて、電子系のトポロジーの効果を取り込んだ定式化を行う。従来の理論では考えられていなかった、ワイル点近傍でのスピン-運動量ロッキング構造が支配的でない場合に理論を拡張する。これにより、様々な磁性ワイル半金属物質においてトルク効率を試算し、磁壁ダイナミクスにより現れる創発インダクタンスの値を予測する。
(3) 引き続き実験研究者と協力し、磁化ダイナミクス過程における電子系トポロジー効果の寄与について検証を進める。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Room-temperature flexible manipulation of the quantum-metric structure in a topological chiral antiferromagnet2024

    • Author(s)
      Jiahao Han, Tomohiro Uchimura, Yasufumi Araki, Ju-Young Yoon, Yutaro Takeuchi, Yuta Yamane, Shun Kanai, Jun’ichi Ieda, Hideo Ohno, and Shunsuke Fukami
    • Journal Title

      Nature Physics

      Volume: XXX Issue: 7 Pages: 1110-1117

    • DOI

      10.1038/s41567-024-02476-2

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Emergence of Inductance and Capacitance from Topological Electromagnetism2023

    • Author(s)
      Araki Yasufumi、Ieda Jun’ichi
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 92 Issue: 7 Pages: 074705-074705

    • DOI

      10.7566/jpsj.92.074705

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Inductance and capacitance emerging from topological electromagnetism2024

    • Author(s)
      Yasufumi Araki, Jun'ichi Ieda
    • Organizer
      CEMS Symposium on Emergent Quantum Materials 2024
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Magnetoelectric response in spin-polarized Weyl semimetal with magnetic domain walls2024

    • Author(s)
      Akihiro Ozawa, Yasufumi Araki, Kentaro Nomura
    • Organizer
      American Physical Society's March Meeting 2024
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Biカルコゲナイド薄膜における異方性スピン軌道トルクの生成2024

    • Author(s)
      杉本聡志、荒木康史、高橋有紀子、家田淳一、葛西伸哉
    • Organizer
      日本物理学会2024年春季大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 積層カゴメ格子磁性ワイル半金属におけるカイラルゲージ場2023

    • Author(s)
      小沢耀弘、荒木康史、野村健太郎
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会(2023年)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] トポロジカル物質とスピントロニクス2023

    • Author(s)
      荒木康史
    • Organizer
      応用物理学会スピントロニクス研究会第22回スピントロニクス入門セミナー
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] トポロジカル電磁応答に起因した創発インダクタンス・キャパシタンス2023

    • Author(s)
      荒木康史、家田淳一
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Remarks] 原子力機構広報誌 未来へげんき No.68

    • URL

      https://www.jaea.go.jp/genki/68/

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 薄膜インダクタ素子、薄膜可変インダクタ素子及び積層薄膜素子の使用方法2022

    • Inventor(s)
      荒木康史、家田淳一、山根結太、深見俊輔
    • Industrial Property Rights Holder
      荒木康史、家田淳一、山根結太、深見俊輔
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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