2016 Fiscal Year Annual Research Report
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16J07354
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
養田 大騎 東京工業大学, 理学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / スピンエレクトロニクス / ワイル半金属 / 輸送現象 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成28年度は主に以下の2つの研究を行った。一つ目の研究としてカイラル結晶の具体的な物質としてテルルに注目し、カイラル結晶中での電流により誘起される軌道磁化とスピン磁化の定量的な計算を行った。先行研究により最局在ワニエ関数を用いた軌道磁化の計算方法が定式化されており、その方法論に基づき計算を行った。その結果としてスピン磁化に関してはよい結果が得られたが、軌道磁化に関しては満たすべきはずの結晶の対称性を満たさない結果となり、正しい結果が得られなかった。
二つ目として、カイラル結晶のタイトバインディング模型を用いた電流誘起軌道磁化とソレノイドのアナロジーについて研究を行った。今までの定式化では電場と軌道磁化の間の線形な関係について考えており、この場合応答係数は緩和時間に依存した量となる。本研究ではそれとは別に電流と軌道磁化の間の線形関係について調べた。この場合は応答係数は緩和時間に依存しない量として定義することができ、電流により誘起される軌道磁化を定量的に考察する際により有用な量であると考えられる。タイトバインディング模型を用いて応答係数を計算したところ、系がワイル半金属相にあり、かつ複数のワイル点がフェルミエネルギーに近づくときに発散的に大きくなることを明らかにした。
また同時にこの応答係数とソレノイドのアナロジーについても議論した。この応答係数について次元解析を行うと、結晶の格子定数と無次元量によって特徴づけられることが判明した。この無次元量は結晶の幾何学的な構造によって軌道磁化が増強される度合いとみなすことができる。したがってこの無次元量を用いて軌道磁化を誘起する能力を定量的に比較することが可能となる。さらにカイラル結晶を古典的なソレノイドと解釈すると、無次元量は単位胞中のソレノイドの巻き数と解釈することができる。
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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
一つ目の研究であるテルルにおける最局在ワニエ関数を用いた電流誘起軌道磁化の定量的な計算については良い結果を得ることができなかった。一方で二つ目の研究であるカイラル結晶のタイトバインディング模型を用いた軌道磁化とソレノイドのアナロジーの研究については、系がワイル半金属相にあり、かつ複数のワイル点がフェルミエネルギーに近づくときに応答係数が発散的に大きくなるという予想外の結果を得ることができた。この結果は適切なワイル半金属では古典的なソレノイドよりも高効率で電流を磁化に変換することができるということを示しており、電流誘起軌道磁化の可能性をより広げる結果である。さらに応答係数が結晶の格子定数と無次元量によって特徴づけられるということはスピン磁化の場合と大きく異なり非常に興味深い。またこの結果により物質ごとの軌道磁化を誘起する能力をこの無次元量によって定量的に比較することが可能となる。これらの結果により電流誘起軌道磁化の基礎的な定式化はほぼ完了したと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験での測定や応用に向けては定量的な予言が重要であると考えられるので、テルルにおける電流誘起軌道磁化の定量的な計算については引き続き考察を行っていく。正しい結果が得られない原因については未だにはっきりとしていないが、解決しだい計算に取り掛かる。
一方で電流誘起軌道磁化の基礎的な定式化についてはほぼ完了したので、続いて電流誘起軌道磁化によって引き起こされる物理現象について研究を行う。具体的にはカイラル結晶と非カイラル結晶の接合系における軌道磁化や、軌道磁化を用いた磁化やスピン流の操作について研究を行う。
また近年光学系において円偏光に依存した光と物質の相互作用が注目されており、これはカイラル結晶における自然旋光性と似た現象である。このような光学系におけるスピン依存した光学現象、カイラルな光と物質の相互作用についても研究を行う。通常円偏光が固有モードとなるのは3次元のカイラルなフォトニック結晶であるが、近年フォトニックトポロジカル絶縁体や空間反転対称性の破れたバレーフォトニック結晶などの2次元系でも偏光が回転するような固有モードが存在することが示唆されている。そこでこれらの2次元フォトニック結晶の設計を行い、固体物理からのアナロジーを用いて偏光依存した非相反な光学現象などのスピン依存光学現象の研究を行う。
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