Effect of fluctuation and disorder in transport phenomena by non-coplanar magnetic orders

• Project Area: Frontiers of materials science spun from topology
• Project/Area Number: 18H04222
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 石塚 大晃 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (00786014)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2018: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 異常ホール効果 / 非相反電流 / 磁気散乱 / スキュー散乱 / 磁性金属 / カイラル磁性体 / スピン電荷結合系 / 強磁性金属 / 多重散乱 / スピン・カイラリティ / 散乱理論 / モンテカルロ・シミュレーション / 近藤格子模型

Outline of Annual Research Achievements

磁気揺らぎを用いた巨大応答の実現可能性を中心に，磁気散乱による輸送現象を調べた．これらの研究には，散乱理論とボルツマン方程式を組み合わせた計算の他，モンテカルロ法による数値シミュレーションを用いた．
まず，昨年度行った摂動法による解析に続き，本年度はより近藤結合が強い領域におけるスキュー散乱の解析を行った．強結合領域の解析を行うため，アンダーソン不純物模型を用いて散乱レートを調べた．得られた散乱レートの解析から，電子と磁気不純物の結合が強い極限で１０度以上の大きなスキュー角を示すことを見出した．さらに，この結果を用いて電気伝導度を評価し，１０度以上の大きなホール角が得られることを確認した．これらの結果は，スキュー散乱による巨大な異常ホール効果の実現を示唆する．
次に，昨年度用意したモンテカルロ法のコードを用いて，カイラルな磁気構造が生じる三角格子模型のホール伝導度を調べた．そして，磁気転移点近傍において，基底状態よりも１０００倍近く大きな異常ホール効果が表れることを確認した．この結果により，磁気揺らぎによるホール効果が基底状態のそれよりも大きな応答を示すことを初めて示された．
最後に，磁気散乱による非相反応答を解析した．最近，MnSiで発見された非相反電流は，磁気散乱が起こしている可能性が高い．しかし，これまで理論的な理解は得られていない．我々は非相反電流の起源として，２スピン・クラスタによる非対称散乱を考えた．そして，２スピン・クラスタがベクトル・カイラリティによる非相反電流を生じることを見出した．この効果はこれまで金属では見られなかった大きな非相反電流を生じる．これらの結果は実験とよく一致する．
以上の結果は，熱的に揺らいだスピンの局所相関が多彩な輸送現象を示すことを明らかにした．特に，従来のメカニズムより大きな応答を磁気揺らぎが実現できることを理論的に示した．

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Tennessee, Knoxville(米国)
• [Int'l Joint Research] Weissmann Institute of Science(イスラエル)
• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] 精華大学/中国科学院(中国)
• [Journal Article] Real-space Berry curvature of itinerant electron systems with spin-orbit interaction (2020)
  • Author(s): Zhang Shang-Shun、Ishizuka Hiroaki、Zhang Hao、Hal?sz G?bor B.、Batista Cristian D.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 101 Issue: 2 Pages: 024420-024420
  • DOI: 10.1103/physrevb.101.024420
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Butterfly-shaped magnetoresistance in triangular-lattice antiferromagnet Ag2CrO2 (2020)
  • Author(s): H. Taniguchi, M. Watanabe, M. Tokuda, S. Suzuki, E. Imada, T. Ibe, T. Arakawa, H. Yoshida, H. Ishizuka, K. Kobayashi and Y. Niimi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 2525-2525
  • DOI: 10.1038/s41598-020-59578-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Rectification of Spin Current in Inversion-Asymmetric Magnets with Linearly Polarized Electromagnetic Waves (2019)
  • Author(s): Ishizuka Hiroaki、Sato Masahiro
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 122 Issue: 19 Pages: 197702-197702
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.197702
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Switchable magnetic bulk photovoltaic effect in the two-dimensional magnet CrI3 (2019)
  • Author(s): Zhang Yang、Holder Tobias、Ishizuka Hiroaki、de Juan Fernando、Nagaosa Naoto、Felser Claudia、Yan Binghai
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Issue: 1 Pages: 3738-3738
  • DOI: 10.1038/s41467-019-11832-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Colossal Enhancement of Spin-Chirality-Related Hall Effect by Thermal Fluctuation (2019)
  • Author(s): Kato Yasuyuki、Ishizuka Hiroaki
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 12 Issue: 2 Pages: 021001-021001
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.12.021001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tilting dependence and anisotropy of anomaly-related magnetoconductance in type-II Weyl semimetals (2019)
  • Author(s): Ishizuka Hiroaki、Nagaosa Naoto
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 16149-16149
  • DOI: 10.1038/s41598-019-51846-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A New Aspect of the Charged Domain Wall in Hexagonal RMnO3 Systems (R: Y, In) (2019)
  • Author(s): Mori Shigeo、Ishizuka Hiroaki、Cheong Sang-Wook、Nagaosa Naoto、Yamada Yasusada
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 88 Issue: 12 Pages: 124603-124603
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.124603
  • NAID: 40022096571
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Theory for shift current of bosons: Photogalvanic spin current in ferrimagnetic and antiferromagnetic insulators (2019)
  • Author(s): Ishizuka Hiroaki、Sato Masahiro
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 100 Issue: 22 Pages: 224411-224411
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.224411
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Robustness of anomaly-related magnetoresistance in doped Weyl semimetals (2019)
  • Author(s): Ishizuka Hiroaki、Nagaosa Naoto
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99 Issue: 11 Pages: 115205-115205
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.115205
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impurity-induced vector spin chirality and anomalous Hall effect in ferromagnetic metals (2018)
  • Author(s): Ishizuka Hiroaki、Nagaosa Naoto
  • Journal Title: New Journal of Physics Volume: 20 Issue: 12 Pages: 123027-123027
  • DOI: 10.1088/1367-2630/aaf510
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Anomalous Hall effect and spin fluctuations in ionic liquid gated SrCoO3 thin films (2018)
  • Author(s): Zhang Ding、Ishizuka Hiroaki、Lu Nianpeng、Wang Yujia、Nagaosa Naoto、Yu Pu、Xue Qi-Kun
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 97 Issue: 18 Pages: 184433-184433
  • DOI: 10.1103/physrevb.97.184433
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic field induced topological semimetals near the quantum critical point of pyrochlore iridates (2018)
  • Author(s): Oh Taekoo、Ishizuka Hiroaki、Yang Bohm-Jung
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 98 Issue: 14 Pages: 144409-144409
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.144409
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Anomalous Hall effect derived from multiple Weyl nodes in high-mobility EuTiO 3 films (2018)
  • Author(s): Takahashi Kei S.、Ishizuka Hiroaki、Murata Tomoki、Wang Qing Y.、Tokura Yoshinori、Nagaosa Naoto、Kawasaki Masashi
  • Journal Title: Science Advances Volume: 4 Issue: 7
  • DOI: 10.1126/sciadv.aar7880
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Optical rectification of spin current in magnetic insulators (2019)
  • Author(s): Hiroaki Ishizuka, Masahiro Sato
  • Organizer: 3rd Asia Pacific Workshop on Quantum Magnetism
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Berry phase effect and transport phenomena in topological semimetals (2019)
  • Author(s): Hiroaki Ishizuka
  • Organizer: Topological Materials Science Collaboration Workshop
  • Invited
• [Presentation] Theory of photovoltaic effect in the THz frequency domain: Application to Weyl semimetals and magnetic insulators (2019)
  • Author(s): Hiroaki Ishizuka
  • Organizer: CEMS Research Camp: Energy harvesting and information transforming
• [Presentation] Theory of spin-current solar cells using quantum spin systems (2019)
  • Author(s): Hiroaki Ishizuka, Masahiro Sato
  • Organizer: CEMS Symposium on Emergent Quantum Materials 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 三角格子反強磁性体Ag2CrO2薄膜における磁気伝導測定 (2019)
  • Author(s): 谷口 祐紀, 渡邉 杜, 徳田 将志, 井邊 昂志, 荒川 智紀, 吉田 紘行, 石塚 大晃, 小林 研介, 新見 康洋
  • Organizer: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [Presentation] スカラー・カイラリティによる大角度スキュー散乱の理論 (2019)
  • Author(s): 石塚 大晃, 永長 直人
  • Organizer: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [Presentation] 直線偏光テラヘルツ光によるシフト・マグノン流生成の理論 (2019)
  • Author(s): 石塚 大晃, 佐藤 正寛
  • Organizer: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [Presentation] レーザー駆動スピン流生成装置としてのフェリおよび反強磁性体 (2019)
  • Author(s): 佐藤 正寛, 石塚 大晃
  • Organizer: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [Presentation] Rectification of Spin Current in Magnetic Insulators with Linearly-Polarized Electromagnetic Waves (2019)
  • Author(s): Hiroaki Ishizuka
  • Organizer: Topological Phases and Functionality of Correlated Electron Systems 2019
• [Presentation] Rectification of spin current in magnetic insulators with linearly-polarized light (2019)
  • Author(s): Hiroaki Ishizuka
  • Organizer: Emergent Condensed Matter Physics 2019
  • Invited
• [Presentation] ワイル・ノードがある物質における量子異常由来の磁気抵抗 (2019)
  • Author(s): 石塚 大晃
  • Organizer: 第４回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
• [Presentation] General aspects of the anomaly-related magneto-conductance in Weyl semimetals (2019)
  • Author(s): Hiroaki Ishizuka
  • Organizer: March Meeting 2019 of American Physical Society
• [Presentation] 非線形光学効果によるスピン流整流の理論：磁気シフト流 (2019)
  • Author(s): 石塚 大晃
  • Organizer: 日本物理学会 2019年年次大会
• [Presentation] Extrinsic anomalous Hall effect and spin chirality (2018)
  • Author(s): Hiroaki Ishizuka
  • Organizer: 2nd Fudan Workshop on Complex Quantum Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Robustness of anomaly-related transport phenomena in Weyl semimetals (2018)
  • Author(s): Hiroaki Ishizuka
  • Organizer: International Symposium on Quantum Fluids and Solids 2018
• [Presentation] Effective models, anomalous Hall effect, and magnetoresistance in cubic magnetic Weyl semimetals (2018)
  • Author(s): Hiroaki Ishizuka
  • Organizer: スピントロニクス研究会
  • Invited
• [Presentation] Anomaly-related magnetoresistance in solids with Weyl nodes (2018)
  • Author(s): Hiroaki Ishizuka
  • Organizer: International Workshop on "Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases: From solid state physics to transdisciplinary concepts"
• [Presentation] ワイル半金属における量子異常と関連した磁気抵抗の頑健性 (2018)
  • Author(s): 石塚 大晃
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] 強磁性金属における不純物によるベクトル・カイラリティと異常ホール効果 (2018)
  • Author(s): 石塚 大晃
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] 相競合のある模型におけるドメイン壁内の相転移 (2018)
  • Author(s): 石塚 大晃
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会