量子磁性体・誘電体におけるレーザー誘起非平衡定常状態の理論研究

• Project/Area Number: 26870559
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Condensed matter physics II
• Research Institution: Aoyama Gakuin University
• Principal Investigator: 佐藤 正寛 青山学院大学, 理工学部, 助教 (90425570)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2015: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 非平衡系 / レーザー / フロケの定理 / 電気磁気結合 / スピン流 / ジャロシンスキー守谷相互作用 / トポロジカル相 / マヨラナフェルミオン

Outline of Annual Research Achievements

研究期間全体を通じて、磁性体・誘電体にレーザーを照射して生じる非平衡現象に関する新しい予言を複数得ることができた。これらの成果から、光物性・量子多体系・非平衡科学の学際領域における新しい研究指針を得ることもできた。以下に具体的成果を述べる。
(1)一般の磁性絶縁体におけるレーザー誘起磁化生成の理論：我々は一般の磁性絶縁体において、円偏光レーザーを照射することで一様磁場なしで磁化曲線が再現できることを示した。右左偏光のスイッチで磁化の向きも制御できる。この実現には(a)レーザー周波数を徐々に増加させること(チャーピング)、(b)磁性体の磁気異方性、(c)十分なレーザー強度、が必要であることも突き止めた。この予言は、実験室で実現可能な新しい磁化の生成・制御方法の提案と言える。成果は既に雑誌Phys.Rev.B(2015)に出版済みである。
(2)量子マルチフェロイクスにおけるレーザーによるスピン流の生成・制御の理論：我々は、ベクトルスピンカイラリティ(隣接する2スピンの外積)と局所的電気分極が結合する標準的なマルチフェロイクス(強誘電磁性体)に(楕)円偏光レーザーを照射すると、系に新しいジャロシンスキー守谷(DM)相互作用が加わることを解析的及び数値的計算により示した。DM項の生成はスピン流の生成とほぼ等価であり、従って、我々の予言は新しい光によるスピン流の生成・制御方法の提案と解釈できる。
(3)キタエフ模型におけるレーザー誘起トポロジカルスピン液体の予言：ハニカム格子キタエフ模型はスピン軌道相互作用の強いモット絶縁体の有効模型として精力的に研究されている。我々は、この模型に標準的な磁歪型電気磁気結合を仮定し、(楕)円偏光レーザーを照射することで、マヨラナフェルミオン流を端に持つトポロジカル液体相が実現し得ることをフロケの定理に基づいて証明した。この成果の論文は投稿中である。

Research Products

• [Journal Article] Laser-induced magnetization curve (2015)
  • Author(s): Shintaro Takayoshi, Masahiro Sato and Takashi Oka
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 90 Issue: 21
  • DOI: 10.1103/physrevb.90.214413
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Kitaev模型における光誘起トポロジカル量子相の理論 (2015)
  • Author(s): 佐藤正寛
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会シンポジウム 「スピン軌道物理の新展開：Kitaev型異方的相互作用が創出する新奇な物性」
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2015-03-21
  • Invited
• [Presentation] Interplay among lasers, the Kitaev honeycomb model and magnetoelectric coupling (2014)
  • Author(s): Masahiro Sato
  • Organizer: Workshop ”Nonequilibrium phase transitions in diverse physical systems”
  • Place of Presentation: University of Tokyo
  • Year and Date: 2014-12-09
  • Invited
• [Presentation] Laser-driven magnetic and topological orders in quantum magnets (2014)
  • Author(s): Masahiro Sato
  • Organizer: Japan-Switzerland Symposium (TTCM2014)
  • Place of Presentation: Aoyama Gakuin University
  • Year and Date: 2014-10-06 – 2014-10-08
  • Invited
• [Presentation] レーザーによる磁性体の制御とレーザー誘起トポロジカル液体相の理論 (2014)
  • Author(s): 佐藤正寛
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会シンポジウム「光で制御する量子多体系・スピン系のダイナミクス」
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2014-09-09
  • Invited
• [Presentation] Coherent Laser Control of Quantum Multiferroics (2014)
  • Author(s): Masahiro Sato
  • Organizer: Quantum Spin Dynamics: From Exotic Excitations to Novel Transport and Non-Equilibrium Phenomena
  • Place of Presentation: Max Planck Institute, Dresden
  • Year and Date: 2014-09-01 – 2014-09-05
• [Presentation] Floquet Topological Spin Liquid in a Driven Kitaev Honeycomb Model (2014)
  • Author(s): Masahiro Sato
  • Organizer: Topology and Entanglement in Correlated Quantum Systems
  • Place of Presentation: Max Planck Institute, Dresden
  • Year and Date: 2014-07-14 – 2014-07-25