2019 Fiscal Year Annual Research Report
カイラル磁性体中の非平衡量子輸送現象に対する大規模数値計算を用いた理論研究
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18J21415
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
奥村 駿 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 強相関電子系 / 磁性 / カイラル磁性 / スキルミオン / モノポール / 数値シミュレーション / トポロジカル物性 / 光学応答 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者は、特別研究員DC1の採用第2年度において、研究課題であるカイラル磁性体中の量子輸送現象についてより一層踏み込んだ研究をしてきた。まず、カイラル磁性体における非相反伝導現象として、一次元的なコニカル状態におけるスピン流伝搬や非線形光学応答の問題を明らかにした。ここでは、スピンに依存したLandauer法や非線形光学応答理論を習得して適用することで、磁場によって制御可能な非相反伝導現象が現れることを理論的に示した。これは、スピントロニクスにおけるカイラル磁性を用いたダイオードの実現へ向けた重要な研究成果である。スピン流伝搬に関する結果についてはすでに学術論文としてとりまとめてApplied Physics Letters誌に掲載されており、現在は非線形光学応答についての論文も執筆中である。
さらに、3次元的なカイラル磁性体における磁気スキルミオンや磁気ヘッジホッグといった特異なスピンテクスチャに関する最近の実験研究に注目し、これまでの理論研究にはなかったアプローチとして伝導電子の効果を含んだ有効スピン模型に対する解析を進めている。まず、変分法やモンテカルロ法といった手法を駆使して、磁気ヘッジホッグ格子の基底状態や磁気構造の磁場依存性を明らかにした。この研究成果については国内外の学会で発表を行うとともに、学術論文としてとりまとめてPhysical Review B誌やJPS Conference Proceedings誌に掲載した。また、申請者は本課題の研究費を用いて、ドイツ・カールスルーエ工科大学に短期滞在しMarkus Garst教授のグループと共同研究を行った。ここでは、LLG動力学法を用いて磁気スキルミオンにスピン偏極電流を印加した際の磁気構造の不安定性について数値シミュレーションを行った。この結果についても現在、学術論文としてとりまとめている最中である。
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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
申請者は、申請した研究課題に沿って、空間反転対称性と時間反転対称性が破れたカイラル磁性体において期待される非相反伝導現象の数値的研究を行った。まず、スピン依存したLaudauerの伝導度公式を用いることで、一軸的なカイラル磁性を仮定したスピン電荷結合系において非相反スピン流が現れることを明らかにした。また、最近開発された非線形光学応答理論を用いて、一次元的なコニカル磁性においてシフトカレントや第二次高調波発生が現れることも見出した。これらの非相反伝導現象は、磁気秩序のカイラリティや螺旋周期及び外部磁場によって制御することができることから、次世代型ダイオード素子の設計にカイラル磁性体が有用であるということを提案した。
さらに、磁気スキルミオン格子や磁気ヘッジホッグ格子を含む三次元的なカイラル磁性の相安定性や電気伝導性を議論すべく、スピン電荷結合系という新たな切り口からの理論研究を行った。まず、三次元のスピン系に対する大規模な数値シミュレーションの結果として、スピンと電荷の結合に由来する有効的な双二次相互作用とDzyaloshinskii-Moriya相互作用の競合によってゼロ磁場かつ低温で磁気ヘッジホッグ格子が形成されるということを明らかにした。磁場中では磁気ヘッジホッグと反ヘッジホッグの対消滅によるトポロジカルな磁気相転移が見られることも見出しており、この相転移に伴う創発磁場の変化は異常ホール効果などの量子輸送現象に大きく影響することが期待される。さらに、ドイツ・カールスルーエ工科大学に約一ヶ月間短期滞在し、Markus Garst教授のグループと共同研究を行った。GPUによる大規模並列化を駆使したLLG動力学法を用いることで、スピン偏極電流が印加された非平衡定常状態において磁気スキルミオン格子が崩壊し強制強磁性へと移り変わる動的なトポロジカル磁気転移を見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
申請者はこれまで、三次元的なカイラル磁性の一つである磁気ヘッジホッグ格子の安定性と磁場依存性について調べてきた。この磁気ヘッジホッグ格子は、磁気モノポールと反モノポールが周期的に並んでいるような特徴的な創発磁場を形成するため、螺旋磁性や磁気スキルミオンとは本質的に異なる新奇な量子輸送現象が発現することが期待される。したがって、今後は、磁気モノポールと反モノポールの対消滅が引き起こすトポロジカルな磁気相転移を含めて、磁気ヘッジホッグ格子に特有の量子輸送現象について研究を発展させていく方針である。この計算は、ワイル半金属が示す非線形ホール効果に関する先行研究をもとに、一次元的なコニカル磁性の非線形光学応答に関する自らの研究を発展させることによって執り行う。昨年度、申請者は磁気ヘッジホッグ格子に関連する研究結果について、国内外の研究会で発表を行ってきたが、今年度も継続して新しい成果についての対外的な発表を行っていく予定である。また、国際的な共同研究についても、昨年度のドイツ・カールスルーエ大学における短期滞在を基盤として、さらに幅広く発展的な研究を推進していく予定である。
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Research Products
(15 results)
