2020 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) |
石塚 大晃 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (00786014)
江澤 雅彦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (10504805)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | シフトカレント / ダイオード効果 / らせん磁性体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
時間反転対称性が破れた系の非線形非相反応答については、らせん磁性体を平均場近似およびその周りの揺らぎとして記述することで、その電気伝導度を、ファインマンダイアグラム法を用いて解析した。特に位相モードの運動方程式を、不純物によるピン止めを考慮に入れて数値的に解くことで、インダクタンスにおける非線形効果を理論的に調べた。その結果、ピン止めが外れる転移点でインダクタンスが大きく変化することを見出した。
シフトカレントの物理的性質に関しては、Rice-Mele模型に電子フォノン相互作用を加えた1次元模型について、フォノン励起によるシフトカレントの計算を行った。これはバンド絶縁体でフォノン励起による直流電流が生じることを示した新しい結果である。また、低エネルギー励起が存在するワイル半金属に対して、バンド交差に伴うベリー曲率の発散に由来するシフトカレントの増大を理論的に検討し、スケーリングにより記述される非線形光学伝導度の発散を見出すとともに、候補物質に対して第一原理計算に対して定量的評価を行った。また、乱れによる電子局在によってシフトカレントが抑えられるか、という問いに答えるために、1次元のRice-Mele模型にランダムポテンシャルを加えた模型につき数値シミュレーションを行い、試料全体に光が当たっている状況では、波動関数が強く局在してもシフトカレントはほとんど抑えられないことを見出した。
ジョセフソン接合の非線形非相反応答については、カノニカル共役であるジョセフソン位相と電荷移動量の連立運動方程式を、クーロンエネルギーの非対称性を考慮に入れて解析した。その結果、電流―電圧特性にヒステリシスを伴う不連続性が現れ、その臨界電流値が電流の方向によって異なるダイオード効果を示すことを見出した。これは時間反転対称性を破らずに超伝導ダイオードが実現できることを示した重要な結果である。
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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
量子物質における非線形応答は大きな広がりを見せており、世界的にも多くの研究者が参入するとともに、基礎学理としても
ベリー位相、電子相関、散逸、などの基本的な問題と深く関わっていることが明らかになりつつある。このような状況下、本
基盤研究は早くから非相反性に着目して非線形応答の研究をリードしており、量子インダクター、絶縁体のシフトカレント、超伝導ダイオード、
など世界に先駆けて理論提案を行ってきた。
らせん磁性体の非線形応答については、不純物による位相モードのピン止め効果が、インダクタンスの電流密度および周波数依存性に与える影響を予言しており、それに刺激された実験グループの研究が始まっている。また、ワイル半金属の増強されたシフトカレントは、テラヘルツ領域の光検出器への応用が期待される重要な問題であり、その設計指針を与えたことは大きな進歩である。また、第一原理電子状態計算によって詳細な予測が可能となったことも重要な成果である。さらにアンダーソン局在とシフトカレントとの関係という基本的な問題に切り込み、シフトカレントが電子局在に対して極めてロバストであることを見出した。これはシフトカレントが超伝導ダイオードも本基盤研究のオリジナルな提案であり、通常のダイオードと異なって電圧のオン・オフ比が無限大となる通常の輸送電流と異なり、分極電流のような非散逸性のカレントであることを示している。理想的な省エネルギーデバイスの可能性を拓くものである。磁場を介さずに大きなダイオード効果を実現できる可能性を示したことは、基礎学理としても応用の観点からも重要な成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
磁性体の非線形非相反応答については、らせん磁性体における創発電磁場をさらに検討し、“アルキメデスのらせん“に対応する電荷とスピンのポンピング効果を、ダイアグラム法と有限系の数値シミュレーションの双方から明らかにする。また、実験グループとの協働で、室温動作可能な量子インダクタ物質の開発を行い、その物性を解析する。
シフトカレントに関しては、非線形光学応答の一般論を、量子幾何学の観点から整備する。ヒルベルト空間における波動関数をリーマン幾何学により定式化して、電場に関して2次、3次の非線形光学伝導度を、接続や曲率で表現する。これにより、非線形光学によってブロッホ関数の量子幾何学的な諸量を観測する手段を提案する。さらに、ワイル半金属、ディラック半金属において、シフトカレント、インジェクションカレント、電場に関する3次応答などを、第一原理電子状態計算で評価し、モデル計算と比較して、上記幾何学量との関係を明らかにする。
非線形非相反応答については、らせん構造をもつナノチューブ超伝導体における揺らぎの電気伝導を解析し、磁場の下でのアハラモフ・ボーム効果による非相反応答を、電場に関して2次の非線形電気伝導度の計算により評価する。また、ジョセフソン接合によるダイオード効果を種々の系に対して計算する。特にトポロジカル絶縁体上のｄ波超伝導体と強磁性体の接合に着目し、そのダイオード特性を最適化する条件を明らかにする。
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Research Products
(29 results)
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[Journal Article] The 2020 skyrmionics roadmap2020
Author(s)
Back C、Cros V、Ebert H、Everschor-Sitte K、Fert A、Garst M、Ma Tianping、Mankovsky S、Monchesky T L、Mostovoy M、Nagaosa N、Parkin S S P、Pfleiderer C、Reyren N、Rosch A、Taguchi Y、Tokura Y、von Bergmann K、Zang Jiadong
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Journal Title
Journal of Physics D: Applied Physics
Volume: 53
Pages: 363001-363001
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Nonreciprocal superconducting NbSe2 antenna2020
Author(s)
Zhang Enze、Xu Xian、Zou Yi-Chao、Ai Linfeng、Dong Xiang、Huang Ce、Leng Pengliang、Liu Shanshan、Zhang Yuda、Jia Zehao、Peng Xinyue、Zhao Minhao、Yang Yunkun、Li Zihan、Guo Hangwen、Haigh Sarah J.、Nagaosa Naoto、Shen Jian、Xiu Faxian
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 11
Pages: 1-9
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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