First-principles design of nano-spin conversion materials

• Project Area: nano spin conversion science
• Project/Area Number: 17H05180
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 石井 史之 金沢大学, ナノマテリアル研究所, 准教授 (20432122)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2017: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: ラシュバ効果 / スピン流 / スピン軌道相互作用 / 酸化物 / 量子スピン液体 / スピンエレクトロニクス / ナノ材料 / 表面・界面物性 / 物性理論 / 計算物理 / スピン流-電流変換 / 酸化物界面

Outline of Annual Research Achievements

スピン流ー電流変換現象に焦点をあて、強誘電体界面・表面の研究を推進した。運動量空間の有効磁場である、ラシュバ係数を具体的物質について非経験的に求めることは新しい高効率なスピン流ー電流変換物質をデザインする上で大変重要である。今年度は計算物質デザインとして、基板歪みによってSrTiO3表面に大きなスピン軌道分裂が生じる可能性があることを明らかにした。この成果はN. Yamaguchi and F. Ishii, First-principles Study of Rashba Spin Splitting at Strained SrTiO3 (001) Surfaces, e-J. Surf. Sci. Nanotechnol. 16, 360-363 (2018) として論文にまとめられた。
以前から継続して研究を実施してきたBi2O3/Cu(111)界面のラシュバ効果について、実験グループが測定した光誘起のスピン流ー電流変換について非占有状態のRashba分裂を計算することで、理論的なサポートをおこなった。これらの研究成果はJ. Puebla, F. Auvray, N.Yamaguchi, M. Xu, S. Z. Bisri, Y. Iwasa, F. Ishii, Y. Otani, "Photoinduced Rashba spin to charge conversion via interfacial unoccupied state" arXiv:1902.00237として論文にまとめられた（投稿中）。他の公募班との共同研究として、スピネル型構造Ir2O4薄膜について基板制御を想定した系統的な電子状態計算をおこなった。その結果、スピンのN極とS極が分化した単極子が粒子のように振る舞う「U(1)量子スピン液体」状態が，従来よりも高温で出現しうることを理論的に見出した。この成果は S. Onoda and F. Ishii, “First-principles design of the spinel iridate Ir2O4 for high-temperature quantum spin ice”, Physical Review Letters. 122, 067201-106, (2019)として論文にまとめられ、プレスリリースをおこなった。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] First-Principles Design of the Spinel Iridate Ir2O4 for High-Temperature Quantum Spin Ice (2019)
  • Author(s): Onoda Shigeki、Ishii Fumiyuki
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 122 Issue: 6 Pages: 067201-067201
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.067201
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] First-principles Study of Spin-wave Excitations of 3d Transition Metals with Linear Combination of Pseudo-atomic Orbitals (2019)
  • Author(s): Prayitno Teguh Budi、Ishii Fumiyuki
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 88 Issue: 5 Pages: 054701-054701
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.054701
  • NAID: 40021885854
• [Journal Article] Large anomalous Nernst coefficient in an oxide skyrmion crystal Chern insulator (2018)
  • Author(s): Mizuta Yo Pierre、Sawahata Hikaru、Ishii Fumiyuki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 98 Issue: 20
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.205125
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Implementation of Generalized Bloch Theorem Using Linear Combination of Pseudo-Atomic Orbitals (2018)
  • Author(s): Prayitno Teguh Budi、Ishii Fumiyuki
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 87 Issue: 11 Pages: 114709-114709
  • DOI: 10.7566/jpsj.87.114709
  • NAID: 210000135018
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] First-principles study on thermoelectric properties of half-Heusler compounds CoMSb (M?=?Sc, Ti, V, Cr, and Mn) (2018)
  • Author(s): Minami Susumu、Ishii Fumiyuki、Mizuta Yo Pierre、Saito Mineo
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 113 Issue: 3
  • DOI: 10.1063/1.5029907
  • NAID: 120006627115
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Anisotropic thermoelectric effect on phosphorene and bismuthene: first-principles calculations based on nonequilibrium Green’s function theory (2018)
  • Author(s): Tanaka Yuto、Saito Mineo、Ishii Fumiyuki
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 57 Issue: 12 Pages: 125201-125201
  • DOI: 10.7567/jjap.57.125201
  • NAID: 120007191060
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] First-principles study of electric-field-induced topological phase transition in one-bilayer Bi(111) (2018)
  • Author(s): Hikaru Sawahata, Naoya Yamaguchi, Hiroki Kotaka, Fumiyuki Ishii
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 57 Issue: 3 Pages: 030309-030309
  • DOI: 10.7567/jjap.57.030309
  • NAID: 210000148691
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strain-induced large spin splitting and persistent spin helix at LaAlO3/SrTiO3 interface (2017)
  • Author(s): N. Yamaguchi and F. Ishii
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 10 Issue: 12 Pages: 123003-123003
  • DOI: 10.7567/apex.10.123003
  • NAID: 120007096902
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 電場印加下におけるバルクの第一原理計算と磁性系への応用 (2019)
  • Author(s): 山口直也、石井史之
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] バンドアンフォールディングを用いたBi/Ag表面合金系におけるラシュバ効果の第一原理的解析 (2018)
  • Author(s): 山口直也、Chi-Cheng Lee、尾崎泰助、石井史之
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 電場印加下の誘電体バルクにおけるスピン軌道分裂の第一原理計算 (2018)
  • Author(s): 山口直也、石井史之
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] スピン分解アンフォーディング法による表面ラシュバ状態の解析 (2018)
  • Author(s): 山口直也、Chi-Cheng Lee、尾崎泰助、石井史之
  • Organizer: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算物質科学の今と未来」
• [Presentation] First-principles Study on Effects of Surface Coverage on Spin Spltting in Bi/Ag Surface Alloys (2018)
  • Author(s): Naoya Yamaguchi, Chi-Cheng Lee, Taisuke Ozaki, Fumiyuki Ishii
  • Organizer: The International Summer workShop 2018 on First-PrinciplesElectronic Structure Calculations (ISS2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スピン流-電流変換制御に向けた界面スピン分裂の第一原理計算 (2018)
  • Author(s): _山口直也、石井史之
  • Organizer: H30年度ポスト「京」重点課題(7)第3回CDMSI研究会
• [Presentation] First-principles Wannier Function Based Analysis of Rashba States in Ferroelectric Oxides and Bismuth Surface Alloys (2018)
  • Author(s): Naoya Yamaguchi, Fumiyuki Ishii
  • Organizer: One-Day Symposium on Spintronic Properties of Graphene and Related 2D Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First-principles study of electric-field induced Z_2_ topological phase transition in strained one-bilayer Bi(111) (2018)
  • Author(s): Hikaru Sawahata, Naoya Yamaguchi and Fumiyuki Ishii
  • Organizer: The 21st Asian Workshop on First-principles Electronic Structure Calculation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bi薄膜のトポロジカル絶縁体相における歪みと電界効果の第一原理計算 (2018)
  • Author(s): 澤端日華瑠, 山口直也, 石井史之
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] Z2不変量の第一原理計算コードの開発と2原子層Bi(111)への応用 (2018)
  • Author(s): 澤端日華瑠, 山口直也, 石井史之
  • Organizer: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算物質科学の今と未来」
• [Presentation] 磁性ハーフホイスラー 合金の熱伝導率の第一原理計算 (2018)
  • Author(s): 堀彰紘, 田中悠斗, 見波将, 石井史之, 斎藤峯雄
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] First-principles study on anomalous Nernst effect in Fe3Al and related compounds (2018)
  • Author(s): Susumu Minami, Fumiyuki Ishii, Mineo Saito
  • Organizer: The 21st Asian Workshop on First-principles Electronic Structure Calculation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First-principles calculations on anomalous thermoelectric effect of ferromagnetic Hustler alloys (2018)
  • Author(s): Susumu Minami, Fumiyuki Ishii, Mineo Saito
  • Organizer: The International Summer Workshop 2018 on First-Principles Electronic Structure Calculations in ISSP
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 強磁性ホイスラー合金における熱電効果の第一原理計算 (2018)
  • Author(s): 見波将, 石井史之, 斎藤峯雄
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 強磁性ハーフホイスラー化合物CoMnSbにおける熱電特性の第一原理計算 (2018)
  • Author(s): 見波将, 石井史之, 水田耀ピエール, 斎藤峯雄
  • Organizer: H30年度ポスト「京」重点課題(7)第3回CDMSI研究会
• [Presentation] ハーフホイスラー型化合物CoMSb (M=Sc,Ti,V,Cr,Mn)における異常ネルンスト効果の第一原理計算 (2018)
  • Author(s): 見波将, 石井史之, 水田耀ピエール, 斎藤峯雄
  • Organizer: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会
• [Presentation] First-principles study of Berry-phase-mediated thermoelectric effects (2018)
  • Author(s): Fumiyuki Ishii
  • Organizer: The 21st Asian Workshop on First-principles Electronic Structure Calculation
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Berry-phase-mediated Thermoelectric Effects in Magnetic Materials (2018)
  • Author(s): Fumiyuki Ishii, Susumu Minami, Yo Pierre Mizuta, Hikaru Sawahata, Akihiro Hori, Yuto Tanaka and Mineo Saito
  • Organizer: 19th International Workshop on Computational Physics and Material Science: Total Energy and Force Methods
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Large anomalous Nernst effect in narrow-gap Chern insulator (2018)
  • Author(s): Yo Pierre Mizuta,Hikaru Sawahata, and Fumiyuki Ishii
  • Organizer: International Workshop on Computational Design and Discovery of Novel Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First-principles study of anomalous thermoelectric effects (2018)
  • Author(s): Fumiyuki Ishii
  • Organizer: 8th Time-Dependent Density-Functional Theory: Prospects and Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 酸化物強誘電体/金属界面におけるラシュバ係数の第一原理計算 (2018)
  • Author(s): 杉田恵, 山口直也, 石井史之
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] First-principles study of topological phase transition in two-dimensional bismuth and its alloys (2018)
  • Author(s): Hikaru Sawahata, Naoya Yamaguchi and Fumiyuki Ishii
  • Organizer: APS March meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First-principles study of anomalous thermoelectric effect in CoMSb(M=Sc,Ti,V,Cr,Mn) (2018)
  • Author(s): 見波将, 石井史之, 水田耀ピエール, 斎藤峯雄
  • Organizer: APS March Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First-principles Wannier Function Approach to Rashba Effect (2018)
  • Author(s): 山口直也、石井史之
  • Organizer: APS March Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First-principles study of spin conversion materials (2018)
  • Author(s): F. Ishii, Y. P. Mizuta, N. Yamaguchi, S. Minami, H. Sawahata, and M. Saito
  • Organizer: 平成29年度スピン変換年次報告会
• [Presentation] Strain-induced Large Spin Splitting at Oxide Surfaces and Interfaces (2018)
  • Author(s): 山口直也、石井史之
  • Organizer: 平成29年度スピン変換年次報告会
• [Presentation] 半導体中ミュオニウムの電子構造計算 (2017)
  • Author(s): 見波将, 斎藤峯雄, 石井史之, 籾田浩義, 小口多美夫
  • Organizer: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算物質科学の今と未来」
• [Presentation] Bi酸化物並びに貴金属のヘテロ構造におけるラシュバ効果の第一原理計算 (2017)
  • Author(s): 山口直也、石井史之
  • Organizer: 物性研究所スパコン共同利用・CCMS合同研究会「計算物質科学の今と未来」
• [Presentation] ハーフホイスラー型化合物XYSb(X=Sc,Ti,V,Cr,Mn; Y=Fe,Co,Ni)における磁性と熱電効果の第一原理計算 (2017)
  • Author(s): 見波将, 石井史之, 水田耀ピエール, 斎藤峯雄
  • Organizer: 第2回CDMSI(ポスト「京」重点課題(7))研究会
• [Presentation] Bi界面系におけるスピン軌道相互作用の第一原理計算 (2017)
  • Author(s): 山口直也、石井史之
  • Organizer: 第2回CDMSI(ポスト「京」重点課題（7）)研究会
• [Presentation] Large Chern number in skyrmion crystals (2017)
  • Author(s): Hikaru Sawahata, Yo Pierre Mizuta, Fumiyuki Ishii
  • Organizer: International Symposium on Computational Science 2017 (ISCS2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Implementation of Generalized Bloch Theorem for Calculating Magnon Dispersion of Bcc Iron Using both Conventional and Primitive Constraint Scheme Methods (2017)
  • Author(s): Teguh Budi Prayitno, Fumiyuki Ishii
  • Organizer: International Symposium on Computational Science 2017 (ISCS2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ハーフホイスラー型化合物における磁性と熱電効果の第一原理計算 (2017)
  • Author(s): 見波将, 石井史之, 水田耀ピエール, 斎藤峯雄
  • Organizer: 日本金属学会 2017年秋季講演大会
• [Presentation] First-principles approach to Rashba states for noble metal surfaces and interfaces using Wannier functions (2017)
  • Author(s): 山口直也、杉田恵、石井史之
  • Organizer: 平成29年度スピン変換研究会
• [Presentation] First-principles Calculations of Rashba Spin Splitting at Bismuth compounds/noble-metal Interfaces (2017)
  • Author(s): 山口直也、杉田恵、石井史之
  • Organizer: 平成29年度スピン変換研究会
• [Presentation] 酸化物表面・界面におけるラシュバ係数の第一原理計算 (2017)
  • Author(s): 山口直也、石井史之
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 非平衡グリーン関数法を用いたナノ構造における熱電効果の第一原理計算 (2017)
  • Author(s): 田中悠斗, 斎藤峯雄，石井史之
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] ペロブスカイト型酸化物/貴金属界面におけるラシュバ効果の第一原理計算 (2017)
  • Author(s): 杉田恵, 山口直也, 石井史之
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Prediction of thermoelectricity in Heusler compounds (2017)
  • Author(s): 見波将, 石井史之, 水田耀ピエール, 斎藤峯雄
  • Organizer: Satellite Workshop of Kanamori Memorial Symposium -Recent Progress in Materials Science for Spintronics and Energy Applications-
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First-principles study of thermoelectricity in magnetic materials (2017)
  • Author(s): 石井史之
  • Organizer: Satellite Workshop of Kanamori Memorial Symposium -Recent Progress in Materials Science for Spintronics and Energy Applications-
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] First-principles calculation of the Rashba effect at the Bi/M (M=Cu, Ag, and Au) interface (2017)
  • Author(s): 杉田恵, 山口直也, 石井史之
  • Organizer: The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First-principles study of topological phase in two-dimensional Bismuth (2017)
  • Author(s): Hikaru Sawahata, Naoya Yamaguchi, Hiroki Kotaka and Fumiyuki Ishii
  • Organizer: The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First-principles Study of Rashba Spin Splitting at Surfaces/Interfaces Using Wannier functions (2017)
  • Author(s): 山口直也、杉田恵、石井史之
  • Organizer: The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anomalous Nernst Effect in Half-Heusler Alloys (2017)
  • Author(s): 見波将, 石井史之, 水田耀ピエール, 斎藤峯雄
  • Organizer: The 20th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ハーフホイスラー合金の表面電子状態と 異常熱電効果の第一原理計算 (2017)
  • Author(s): 石井史之, 見波将, 水田耀ピエール, 斎藤峯雄
  • Organizer: 第11回物性科学領域横断研究会
• [Presentation] Bi化合物/貴金属界面の第一原理電子状態計算 (2017)
  • Author(s): 杉田恵, 山口直也, 石井史之
  • Organizer: 第31回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] 二次元Biのトポロジカル相図の第一原理計算 (2017)
  • Author(s): 澤端日華瑠, 山口直也, 小鷹浩毅, 石井史之
  • Organizer: 第31回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] ホイスラー合金における熱電効果の第一原理計算 (2017)
  • Author(s): 見波将, 石井史之, 水田耀ピエール, 斎藤峯雄
  • Organizer: 第31回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] First-principles Cannier Function Analysis of Surface Rashba States (2017)
  • Author(s): 山口直也、石井史之
  • Organizer: 第3回CDMSI（ポスト「京」重点課題（７））シンポジウム
• [Remarks] 研究成果報告 科研費 17H05180
  • URL: http://cphys.s.kanazawa-u.ac.jp/~lab-ishii/summary_17H05180.html