| Project/Area Number |
23K25826
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| Project/Area Number (Other) |
23H01129 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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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 | Tokyo Denki University |
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Principal Investigator |
中 惇 東京電機大学, 理工学部, 准教授 (60708527)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石井 史之 金沢大学, ナノマテリアル研究所, 教授 (20432122)
妹尾 仁嗣 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (30415054)
那須 譲治 東北大学, 理学研究科, 准教授 (40610639)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥19,240,000 (Direct Cost: ¥14,800,000、Indirect Cost: ¥4,440,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2023: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000)
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| Keywords | 有機導体 / 遷移金属酸化物 / 交差相関 / 交替磁性体 / altermagnet / SSHモデル / エッジ状態 / FFLO超伝導 / 熱ホール効果 / ピエゾ磁気効果 / スピン分裂 / 電子相関 / スピン軌道結合 / 遷移金属化合物 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では「非相対論的なスピン軌道結合」を基軸とした強相関電子系の新しい交差相関現象を開拓する。これは従来の相対論効果である原子のスピン軌道結合とは本質的に異なり、物質の構造と電子相関効果に由来し、軽元素からなる物質でも重大な効果を及ぼす。そのため、典型的な軽元素の強相関系である有機導体や遷移金属化合物を対象として、非相対論的スピン軌道結合の発現機構を解明し、従来の物質の電磁応答と一線を画す非対角応答を開拓する。物質に即したモデル解析と第一原理計算を相補的に活用することで強相関系の隠れた機能性を明るみにし、新しい強相関スピントロニクスの研究領域を創成する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、近年「交替磁性体」として注目されている時間反転対称性を破るコリニア反強磁性体の非相対論的なスピン軌道結合効果について、以下の研究を行った。1)分子ダイマーを構成単位とするκ型分子配列を持つ有機導体において、コリニア反強磁性相のZak位相が量子化し，系の端にスピン偏極したエッジ状態が自発的に生じることを見出した。これは反強磁性秩序によって系の内部に有効的にSu-Schrieffer-Heegerモデルで記述される1次元ダイマー鎖が創発することで生じるエッジ状態であり、相対論的なスピン軌道結合を必要としない。このスピン偏極したエッジ状態は磁気光学カー効果を用いて検出できる可能性がある。2)同じくκ型有機導体の反強磁性状態に2次元的な金属状態を接合した系において、FFLO超伝導状態が安定化することを見出した。これは反強磁性分子場によって生じるd波型のスピン分裂と電子相関効果の協力効果によって生じる。従来のFFLO状態は強磁場中でのみ現れるため実験的な観測手段が限られていたが、本系では無磁場でも安定化する可能性があり、観測手段の幅が広がることによるブレイクスルーが期待できる。実際に近年κ型有機導体のバルク表面に極性分子を吸着した系で表面付近に2次元的な金属・超伝導状態が形成されることが指摘されており、実験による検証も期待できる。3)局在自由度を有するモット絶縁体に広く適用可能な準粒子を解析する手法の構築を目指して研究を行った。この手法をトポロジカルマグノンを持つ系に適用し、エッジモードや熱ホール伝導度に対する準粒子間相互作用の効果を調べた。今後はこの手法を電気磁気効果やスピン流応答などの他の線形交差応答に加えて、非線形応答などにも適用し、準粒子間相互作用の影響を明らかにする予定である。
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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
1)本研究の発端であるスピン分裂を示すκ型有機導体の反強磁性相のバンド構造をさらに深く調べることで、新奇なスピン偏極エッジ状態が発現することを明らかにした。これは他の交替磁性体にも拡張可能であるだけでなく、強相関系においてトポロジカル相を構成する新しい指針を与える成果である。2)スピン分裂由来の創発現象の一つとして無磁場でのFFLO超伝導状態の実現可能性を理論的に提案することができた。これは極性分子を用いた有機導体のキャリアドープ実験により検証できる可能性があり、交替磁性体の検出手段の一つとしても意義深い。3)また、第一原理計算とモデル計算を併用した有機交替磁性体の圧力磁気効果（ピエゾ磁気効果）の計算にも着手できた。すでにスピン軌道結合を必要としない新しいタイプのピエゾ磁気効果を見出しており、学会発表も行っている。4)これら以外にも新たな交替磁性の候補物質として、Dirac分散を持つτ型有機導体やπ電子軌道自由度を持つアルカリ超酸化物AO2の研究にも着手することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度と同様の方針で交替磁性体の電子状態および交差相関に関する理論研究を継続する。1)昨年度に着手したκ型有機導体におけるピエゾ磁気効果の発現機構をさらに詳細に調べ、論文出版を目指す。2)交替磁性体の相対論効果の一つである異常ホール効果に着目し、一部のDirac分散を持つ交替磁性体の候補物質を対象として、量子化された異常ホール効果の実現可能性を探る。具体的には、τ型有機導体や4dペロブスカイト系を念頭に置き、コリニア反強磁性絶縁体相において有限の横電気伝導度が残るための電子遷移およびスピン軌道結合の条件を探索する。3)酸素分子のπ電子の軌道自由度を持つアルカリ超酸化物AO2のスピン軌道状態に関する理論研究を行う。軌道・磁気秩序の組み合わせと幾何学的フラストレーションの効果により、時間反転対称性を破る交替磁性相が発現する可能性を探る。
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