2019 Fiscal Year Research-status Report
磁場効果を取り込んだ第一原理計算手法の開発とそれを用いた磁気現象の解析
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18K03461
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
樋口 克彦 広島大学, 先端物質科学研究科, 准教授 (20325145)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
樋口 雅彦 信州大学, 学術研究院理学系, 教授 (10292202)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 磁場下固体 / グラフェン / 反磁性 / g因子 / 電磁場応答 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
グラフェンは、スピントロニクス材料として期待されています。最近、グラフェンの電子のg因子が自由電子のそれよりも小さくなることが，電子スピン共鳴の実験グループにより報告されました。g因子はスピン緩和時間を決める重要な物理量であるため，このg因子が小さくなるという現象はたいへん注目を集めていますが、その原因は明らかにされていません。
グラフェンは大きな反磁性磁化を示すことが知られています。この大きな反磁性磁化がグラフェンの小さなg因子の原因になっていると考え、2018年度に開発した「非摂動MFRTB法」（研究計画調書では、「拡張MFRTB法」と呼んでいたもの）を磁場下グラフェンに適用し、グラフェンの磁化を計算しました。その結果、「非摂動MFRTB法」によって大きな反磁性磁化が再現できることが分かりました。また、高磁場領域で、グラフェンの磁化は特異な磁場依存性を示すことが明らかになりました。この特徴的な磁化の磁場依存性は、磁場下グラフェンのバンド構造に起因していることが分かりました。
さらに本研究では、反磁性磁化からグラフェンに発生する内部磁場を計算し、内部磁場がg因子に与える影響を計算しました。その結果、実験で得られているg因子の3.1％の低下のうち、反磁性磁化による内部磁場の影響は0.7％程度であることが分かりました。反磁性磁化による内部磁場がg因子の低下の原因の一つであることはわかりましたが、他に原因があることが示唆される結果でした。
上記の研究成果に加えて、「非摂動MFRTB法」で記述される一様磁場下固体の、電磁場に対する応答を扱うことのできる第一原理計算理論を2019年度に開発しました。これは当初の研究計画には記載されていませんが、一般に固体の電磁場応答を扱うことのできる汎用性の高い第一原理計算理論で、本研究で発展・応用していきたいと考えています。
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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
今年度は当初の予定通り目的3を実行しました。目的3に関しては、当初の予想以上に考慮すべきことがあり、予定よりやや遅れています。しかし、目的2および目的4の遂行に向けて、当初の予定よりも早く理論開発およびプログラム開発が進んでいます。
さらに当初の計画には記載されていない、磁場下固体の電磁場応答を記述するための第一原理計算理論である動的電流密度汎関数理論の開発を行い、成果が得られています。
以上より、研究全体では当初の予定通り進んでいるといって良いと考えられます。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、まず目的3の「拡張MFRTB法によるスピントロニクス材料のg因子の理論予測」の完了を目指します。グラフェンの小さなg因子の原因の一つに、反磁性磁化による内部磁場の影響があることが昨年度わかりましたが、主要な原因が別にあることも示唆されました。今年度は現段階の「非摂動MFRTB法」では取り込めていないRashba効果に注目し、グラフェンの小さなg因子の原因解明を目指します。そのために、Rashba効果を取り込める形に「非摂動MFRTB法」を改良し、内部磁場の影響のみならず、表面近傍で生じるRashba効果による有効磁場の影響を議論します。
目的2の遂行に向け、「非摂動MFRTB法」による金属磁性の計算を進めます。「非摂動MFRTB法」では，完全に自由電子でもなく原子軌道でもない両方の特性を持ったBloch状態による磁化が計算できます。電子状態が自由電子的であればパウリ常磁性とランダウ反磁性による磁性が現れ，原子軌道的であればキュリー則，バンブレック常磁性およびランジュバンの反磁性が現れると考えられます。さらに、磁場の印加により金属中に発生する電流が金属磁性に与える影響も議論します。
目的4の遂行に向け、「非摂動MFRTB法」により得られる磁場下固体のエネルギーバンド構造と電気伝導の関連を明らかにします。また、今年度開発した動的電流密度汎関数理論を用いた磁場下固体の電磁場応答の具体的な数値計算についても準備を進めたいと考えています。
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| Causes of Carryover |
当初予定していた学会および研究会（2月末から3月に開催予定）がなくなり、旅費がかからなかった。今年度は、昨年度繰り越した助成金を使い、当初予定していた以上の計算機メモリなど計算機環境を整えます。これにより、本研究で予定していた大規模計算を効率よく行い、研究を加速します。
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