2018 Fiscal Year Annual Research Report
Theory of nonlinear and nonreciprocal responses in noncentrosymmetric electronic systems
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18H03676
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
永長 直人 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (60164406)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
江澤 雅彦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (10504805)
石塚 大晃 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (00786014)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 非平衡状態 / ベリー位相 / 非相反応答 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）時間反転対称性が破れた系の非線形非相反応答に関しては、磁場Ｂと電流Ｉの下で、電気抵抗ＲがR=R0(1+γBI)と書けるが、このγの理論的表式を種々の場合に求めた。2次元超伝導体における非相反応答の一般論を構築し、系の対称性に応じて異なる機構によってどのような非相反性が現れるかを明らかにし、各々のγの表式を得た。特に渦糸による電気抵抗に伴う非相反性につき、ラチェット機構によるγやKosterlitz-Thouless転移点における臨界現象によるγの発散などを予言した。
（２）シフトカレントの物理的性質については、
SbSIにつき光パルス励起により駆動されるシフトカレントと電荷の、実時間ダイナミクスを実験グループと協力して明らかにし、励起光の周波数および強度依存性の実験結果をほぼ完全に理論的に再現した。また、光の電場に加えて、一様なｄｃ電場がかかったときの電圧・電流特性を明らかにし、光キャリアの易動度が小さいほうがエネルギー効率、量子力学的ショットノイズの双方から優れた性質を示すことを明らかにした。
（３）時間反転を持つ系の非線形非相反応答については、量子ラチェットモデルにおける散逸と温度の効果がどのようにその非相反性に現れるかと明らかにした。具体的には、電場の2次に比例する非線形非相反易動度に関する温度依存性に関するスケーリング則が、電子格子相互作用などによる散逸の強さを特徴づける無次元の結合定数αどのように依存するかを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2次元超伝導体における非相反電気抵抗に全貌が明らかになったことは、当初の計画よりも進展した成果である。特に、対応する鉄系超伝導体における実験が進み、理論と対応するKosterlitz-Thouless転移点におけるγの発散が観測されている。また、非線形非相反応答の全体を見渡したレビュー論文を出版し、同分野の促進に尽力している。
また、ラチェットは昔から調べられてきた問題であるが、その量子効果は部分的にしか調べられていなかった。特に、超伝導のジェセフソンネットワークで実験的に観測されていた非相反輸送現象、および最近の2次元超伝導体MoS2における実験結果は、理論的解釈がなされていなかった。これに対して、量子ラチェットの一般論を構築し、スケーリング理論の形で簡潔な表式を得たことは、この基本的な問題にほぼ最終的な解を与え、さらに実験との比較に耐える理論を提出したと言える。特にαの大小によって、局在と非局在状態間に起きる量子相転移が非相反性に及ぼす影響を明らかにしたことは、古典性・量子性と非相反応答の関係を理解する上で基本的な重要性を持つ。
シフトカレントに関しては、第一原理計算によって実験と直接比較できる理論を構築できたことは大きな進展であり、これによりその量子力学的特性が明らかになった。特に、光電流・電圧特性は太陽電池の効率にとって重要な情報であるが、これがシフトカレントに関しては易動度が低い方が良いという、従来の設計指針とは全く異なるものであることを見出した。また、光検出器にとって重要な雑音の問題も明らかにしたことも大きな進展である。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）時間反転対称性が破れた系の非線形非相反応答
らせん磁性体における電流に対する非線形応答の理論を構築する。らせん磁性体における交流電流下での創発電磁場を解析し、それによって生じる電圧降下を明らかにする。この現象を非線形応答へと拡張し、さらに磁場を印加することによって生じると期待される非相反応答を明らかにする。
（２）シフトカレントの物理的性質の研究
反転対称性が破れた強誘電バンド絶縁体におけるフォノン励起に伴うシフトカレントの理論を構築し、第一原理電子状態計算を用いてシフトカレントの大きさを評価する。BaTiO3の電子状態とフォノンの分散の第一原理計算計算を行い、電子格子相互作用を求め、ダイアグラム法による解析的な表式に代入して、フォノンのシフトカレントを計算し、実験との比較を行う。さらに、アンダーソン局在のシフトカレントへの影響を、１次元の簡単な模型に対して数値的に調べる。光励起を局所的に行った場合と、試料全体に行った場合の両者につき、局在長とシフトカレントの大きさの関係を明らかにする。
（３）時間反転を持つ系の非線形非相反応答
超伝導のジョセフソン接合において電子相関に対応するチャージングエネルギーの非対称性が、電流・電圧特性にどのような非相反性をもたらすかを、電荷とジョセフソン位相の連立方程式を解析することで明らかにする。さらに、その考察を量子力学的なトンネル効果に拡張し、低温領域における電流・電圧特性とその非相反性の理論を構築する。現実的なパラメーターを用いて、非相反性の大きさを評価し、実験による検出可能性を評価する。
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Research Products
(21 results)
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[Journal Article] Current-induced dynamics of skyrmion strings2018
Author(s)
Yokouchi Tomoyuki、Hoshino Shintaro、Kanazawa Naoya、Kikkawa Akiko、Morikawa Daisuke、Shibata Kiyou、Arima Taka-hisa、Taguchi Yasujiro、Kagawa Fumitaka、Nagaosa Naoto、Tokura Yoshinori
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Journal Title
Science Advances
Volume: 4
Pages: eaat1115-1-7
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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