局所的な軌道混成に由来するトロイダル多極子がもたらす新奇マルチフェロイクスの開拓

• Project Area: J-Physics: Physics of conductive multipole systems
• Project/Area Number: 18H04296
• 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 (2019); Hokkaido University (2018)
• Principal Investigator: 速水 賢 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (20776546)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 多極子 / 奇パリティ多極子 / 電気トロイダル / スピン軌道結合 / 反強磁性 / スピン流 / スピン分裂 / クラスター多極子 / トロイダル秩序 / スピン軌道相互作用 / 混成軌道 / 空間反転対称性の破れ / マルチフェロイクス / トロイダル多極子 / 電気磁気効果 / 結晶点群 / 自発的対称性の破れ / 奇パリティ

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、固体中での電子のミクロな自由度を表現する多極子を用いて、多彩な物性現象を理解する基礎を築くことである。特に、電子の波動関数自由度(s, p, d, f軌道)に着目して、それらの混成軌道がもたらす新規多極子秩序を理論的に明らかにすることである。具体的には、以下の研究成果を得た。
(1) スピン軌道結合金属Cd2Re2O7における電気トロイダル四極子秩序の理論的提案：5d電子系パイロクロア化合物Cd2Re2O7を対象とし、実験で観測されたおよそ200Kと120Kにおける２つの構造相転移が、奇パリティ多極子の一つである電気トロイダル四極子秩序の発現と対応していることを理論的に明らかにした。また、電気トロイダル四極子秩序の発現により、電子状態においてスピン-運動量ロッキングが生じ、さらには電流有機磁気効果や非相反伝導現象が誘起されることを見出した。
(2) コリニア磁気秩序のもとで生じるスピン分裂バンド構造の微視的理解：ミクロな多極子の表現論を用いることにより、スピン軌道相互作用のないコリニア反強磁性において、スピン分裂を示すバンド構造やスピン流生成といった創発スピン軌道物性が実現できることを明らかにした。
(3) 反強電気四極子秩序が誘起するクラスター奇パリティ多極子秩序の理論：ここではf電子系化合物であるCeCoSiを対象とし、そこで観測された特異な電子秩序相を説明するための理論形式を構築した。具体的には、Ceサイトにおける局所的な反転中心の破れやスピン軌道相互作用、d-f軌道混成といった複合的な効果を取り込んだ有効模型を導出し、平均場計算を用いることで交替的な反強電気四極子秩序が発現する可能性を指摘した。さらにこうした交替的な反強電気四極子秩序は奇パリティ多極子の一つであるクラスター電気トロイダル四極子秩序によって特徴づけられることを明らかにした。

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

• [Journal Article] Odd-Parity Multipoles by Staggered Magnetic Dipole and Electric Quadrupole Orderings in CeCoSi (2020)
  • Author(s): Yatsushiro Megumi、Hayami Satoru
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 89 Issue: 1 Pages: 013703-013703
  • DOI: 10.7566/jpsj.89.013703
  • NAID: 210000157809
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electric Toroidal Quadrupoles in the Spin-Orbit-Coupled Metal Cd2Re2O7 (2019)
  • Author(s): Hayami Satoru、Yanagi Yuki、Kusunose Hiroaki、Motome Yukitoshi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 122 Issue: 14 Pages: 147602-147602
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.147602
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atomic-Scale Magnetic Toroidal Dipole under Odd-Parity Hybridization (2019)
  • Author(s): Yatsushiro Megumi、Hayami Satoru
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 88 Issue: 5 Pages: 054708-054708
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.054708
  • NAID: 40021885912
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multipole expansion for magnetic structures: A generation scheme for a symmetry-adapted orthonormal basis set in the crystallographic point group (2019)
  • Author(s): Suzuki M.-T.、Nomoto T.、Arita R.、Yanagi Y.、Hayami S.、Kusunose H.
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99 Issue: 17 Pages: 174407-174407
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.174407
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Magnetic Vortex Induced by Nonmagnetic Impurity in Ferromagnets: Magnetic Multipole and Toroidal around the Vacancy (2019)
  • Author(s): Hayami Satoru、Kusunose Hiroaki、Motome Yukitoshi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 88 Issue: 6 Pages: 063702-063702
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.063702
  • NAID: 40021915124
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spin current generation in organic antiferromagnets (2019)
  • Author(s): Naka Makoto、Hayami Satoru、Kusunose Hiroaki、Yanagi Yuki、Motome Yukitoshi、Seo Hitoshi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Issue: 1 Pages: 4305-4305
  • DOI: 10.1038/s41467-019-12229-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Momentum-Dependent Spin Splitting by Collinear Antiferromagnetic Ordering (2019)
  • Author(s): Hayami Satoru、Yanagi Yuki、Kusunose Hiroaki
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 88 Issue: 12 Pages: 123702-123702
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.123702
  • NAID: 40022096547
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of magnetic anisotropy on skyrmions with a high topological number in itinerant magnets (2019)
  • Author(s): Hayami Satoru、Motome Yukitoshi
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 99 Issue: 9
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.094420
  • NAID: 120006727602
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ミクロな多極子による電子物性の表現論 (その1) (2019)
  • Author(s): 速水 賢，八城 愛美，柳 有起，楠瀬 博明
  • Journal Title: 固体物理 Volume: 54 Pages: 131-145
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Neel- and Bloch-Type Magnetic Vortices in Rashba Metals (2018)
  • Author(s): Hayami Satoru、Motome Yukitoshi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 121 Issue: 13
  • DOI: 10.1103/physrevlett.121.137202
  • NAID: 120006539254
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Classification of atomic-scale multipoles under crystallographic point groups and application to linear response tensors (2018)
  • Author(s): Hayami Satoru、Yatsushiro Megumi、Yanagi Yuki、Kusunose Hiroaki
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 98 Issue: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.98.165110
  • NAID: 120006539253
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 多極子自由度と非対角応答 (2020)
  • Author(s): 速水 賢
  • Organizer: J-Physics 令和元年度領域全体会議
• [Presentation] ハニカム格子反強磁性体における対称な異方的交換相互作用に由来した非相反マグノン励起 (2020)
  • Author(s): 松本拓哉, 速水 賢
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] 磁性金属中の磁気ヘッジホッグ格子に対する磁場効果の数値的研究 (2020)
  • Author(s): 奥村 駿, 速水 賢, 加藤 康之, 求 幸年
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] パイロクロア酸化物Cd2Re2O7における電流磁気効果の第一原理計算 (2020)
  • Author(s): 安田寛徳, 加藤 康之, 速水 賢, 求 幸年
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] Multiple-Q spin textures in itinerant magnet GdRu2Si2 (2020)
  • Author(s): Khanh Nguyen, Taro Nakajima, Satoru Hayami, Shang Gao, Hironori Nakao, Hajime Sagayama, Yuichi Yamasaki, Yukitoshi Motome, Yoshinori Tokura, Takahisa Arima, Shinichiro Seki
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] 結晶中の多極子自由度を起点としたスピン分裂バンド構造の理解 (2020)
  • Author(s): 速水賢, 柳有起, 楠瀬博明
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] ジグザグ鎖上の磁気トロイダル多極子秩序下における非相反電気伝導 (2020)
  • Author(s): 八城愛美, 柳有起, 速水賢
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] 異方的なc-f混成を有する周期的アンダーソン模型を起点とした異方的近藤カップリングの導出 (2020)
  • Author(s): 山家椋太, 速水賢
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] Neel- and Bloch-type magnetic vortices in Rashba metals (2019)
  • Author(s): Satoru Hayami
  • Organizer: SPIE Optics + Photonics 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Augmented multipoles and cross-correlated couplings (2019)
  • Author(s): Satoru Hayami
  • Organizer: KINKEN-WAKATE 2019 Multipole Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Momentum-Dependent Spin Splitting by Collinear Antiferromagnets without Atomic Spin-Orbit Coupling (2019)
  • Author(s): Satoru Hayami
  • Organizer: J-Physics 2019 International Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Classification of Atomic-Scale Multipoles under Crystallographic Point Groups (2019)
  • Author(s): Satoru Hayami
  • Organizer: The International Conference on SCES 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Organic antiferromagnet as a spin current generator (2019)
  • Author(s): M. Naka, S. Hayami, H. Kusunose, Y. Yanagi, Y. Motome, and H. Seo
  • Organizer: The International Conference on SCES 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical study on magnetic hedgehog lattices in noncentrosymmetric metals (2019)
  • Author(s): S. Okumura, S. Hayami, Y. Kato, and Y. Motome
  • Organizer: JSPS Core-to-Core Program International meeting "Core-to-Core Final Meeting in Jaca (2019)"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 微視的な多極子自由度とスピン分裂を示すバンド構造の関係 (2019)
  • Author(s): 速水 賢
  • Organizer: J-Physics地域研究会 -札幌
• [Presentation] f電子系金属CeCoSiにおける奇パリティ多極子秩序 (2019)
  • Author(s): 八城 愛美、速水 賢
  • Organizer: J-Physics地域研究会 -札幌
• [Presentation] 3次元遍歴電子系における多重Q磁気ヘッジホッグ格子の数値的研究 (2019)
  • Author(s): 奥村 駿, 速水 賢, 加藤 康之, 求 幸年
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] κ型分子性導体における異常ホール効果 (2019)
  • Author(s): 中 惇, 速水 賢, 楠瀬 博明, 柳 有起, 求 幸年, 妹尾 仁嗣
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] トロイダルモーメントと交差相関物性の微視的な理論研究 (2019)
  • Author(s): 速水 賢
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
  • Invited
• [Presentation] κ型分子性導体における対称性の破れと輸送特性 (2019)
  • Author(s): 中 惇, 速水 賢, 楠瀬 博明, 柳 有起, 求 幸年, 妹尾 仁嗣
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] CeCoSiにおける奇パリティ多極子秩序の理論的研究 (2019)
  • Author(s): 八城 愛美, 速水 賢
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] 局所的な軌道混成に由来するトロイダル多極子がもたらす新奇マルチフェロイクスの開拓 (2018)
  • Author(s): 速水 賢
  • Organizer: J-Physics 平成30年度領域全体会議(後半キックオフミーティング)
• [Presentation] トロイダル多極子自由度に基づく物質設計 (2018)
  • Author(s): 速水 賢
  • Organizer: J-Physics トピカルミーティング ものづくりシリーズ第3回「物質探索最前線」
  • Invited
• [Presentation] 電気トロイダル多極子と交差相関現象 (2018)
  • Author(s): 速水 賢
  • Organizer: 第1回ETQ研究会「多極子秩序と超伝導」
• [Presentation] Cd2Re2O7における電気トロイダル四極子秩序の可能性 (2018)
  • Author(s): 速水 賢, 柳 有起, 楠瀬 博明, 求 幸年
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 多極子の拡張・一般化と交差相関物性 (2018)
  • Author(s): 速水 賢
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
  • Invited
• [Presentation] 結晶点群の下での多極子の分類論 (2018)
  • Author(s): 速水 賢, 八城 愛美, 柳 有起, 楠瀬 博明
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] フラストレート磁性体におけるスキルミオン結晶相 (2018)
  • Author(s): 速水 賢
  • Organizer: 基研研究会「スピン系物理の最前線」
  • Invited
• [Presentation] 多極子の拡張・一般化と交差相関物性 (2018)
  • Author(s): 速水 賢
  • Organizer: J-Physics トピカルミーティング「拡張多極子研究の進展と展望」
• [Presentation] ボンド自由度を用いた拡張多極子 -Cd2Re2O7における電気トロイダル四極子秩序を例にとって- (2018)
  • Author(s): 速水 賢
  • Organizer: J-Physics トピカルミーティング「拡張多極子研究の進展と展望」
• [Presentation] 結晶点群の下での多極子の分類と交差相関物性 (2018)
  • Author(s): 速水 賢
  • Organizer: 東京大学物性研究所 量子物質セミナー
  • Invited
• [Presentation] Cd2Re2O7における多極子秩序と非相反応答 (2018)
  • Author(s): 柳 有起, 速水 賢, 求 幸年, 楠瀬 博明
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] ブリージングカゴメ磁性体における非相反マグノン励起 (2018)
  • Author(s): 松本 拓哉, 速水 賢
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 奇パリティ結晶場の下で誘起されるトロイダル多極子と電気磁気効果 (2018)
  • Author(s): 八城 愛美, 速水 賢
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] κ型分子性導体におけるスピン分裂 (2018)
  • Author(s): 中 惇, 速水 賢, 楠瀬 博明, 柳 有起, 求 幸年, 妹尾 仁嗣
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] κ型分子性導体におけるスピン流生成 (2018)
  • Author(s): 中 惇, 速水 賢, 楠瀬 博明, 柳 有起, 求 幸年, 妹尾 仁嗣
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] ブリージングカゴメ磁性体におけるトロイダル多極子と非相反マグノン励起 (2018)
  • Author(s): 松本 拓哉, 速水 賢
  • Organizer: J-Physics: Tropical Topical Meeting
• [Book] 固体物理 (2020)
  • Author(s): 速水 賢，八城 愛美，柳 有起，楠瀬 博明
  • Total Pages: 11
  • Publisher: 株式会社アグネ技術センター
• [Book] 固体物理 (2019)
  • Author(s): 速水 賢，八城 愛美，柳 有起，楠瀬 博明
  • Total Pages: 15
  • Publisher: 株式会社アグネ技術センター
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://hayami-lab.t.u-tokyo.ac.jp/index.html
• [Remarks] 北海道大学 理学研究院 物理学部門 速水賢
  • URL: http://phys.sci.hokudai.ac.jp/~hayami/