2019 Fiscal Year Annual Research Report
Control of drastic spin-responses in strongly spin-orbit coupled systems
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19H01850
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
伏屋 雄紀 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (00377954)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
白石 誠司 京都大学, 工学研究科, 教授 (30397682)
徳永 将史 東京大学, 物性研究所, 准教授 (50300885)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | スピン軌道結合 / スピン分解量子振動 / スピンホール効果 / スピン応答 / スピン緩和長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当初計画に即して，次の研究を行った．（番号は計画調書の番号に対応）
（１）強スピン軌道結合（SOC）系のスピン状態を正確に決定するための基盤理論を整備した．固体電子の磁場によるエネルギー量子化（ランダウ量子化）を厳密に求められる理論手法（π-matrix法）を初めて完成させた．これを元にスピン分解量子振動を解析する新しいアプローチを提唱した．既存手法では説明できなかった，強SOC系PbTeに対する徳永グループの実験結果を定量的に説明することに成功した．
Bi薄膜（パーマロイ上）において，従来結果と異なる，大きなスピントルクをスピントルク強磁性共鳴を用いて観測することに成功した（白石）．
（２）スピン緩和長を求めるには，弱局在解析が有効である．従来の弱局在解析は氷上-Larkin-長岡理論を用いるが，強SOC系ではその理論は破綻する．今年度は，強SOC系にも適用できるよう，従来の弱局在理論を大きく拡張した．強SOC系の典型であるディラック電子に対して，電気伝導度の量子補正を求めた．従来機構にはないバンド間の１重項クーペロンの効果が顕著になり，弱反局在から弱局在へのクロスオーバーが現れることを明らかにした．この理論を元に，従来の弱局在解析から見積もったスピン緩和長が大きく修正される可能性を示した．
（３）量子極限近傍の強磁場領域では，量子論に基づいて物理量を計算できる対象は極めて限られており，多くの謎が残されている．特に強SOC系の典型であるディラック電子では，量子極限でスピンが完全偏極することが期待され，磁化率が強磁性的になるのか否かについて，関心が高まっていた．今年度は，量子極限を含む強磁場領域で，ディラック電子の磁化率を量子論に基づいて厳密に計算した．その結果，量子極限で完全にスピンが偏極しても，磁化率に特異点は現れず，反磁性のままであることを明らかにした．
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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
申請当初の計画では，３年間で（１）スピン状態，（２）スピン緩和長，（３）量子極限，についてそれぞれ基盤理論を整備した上で，実験グループとの共同研究を進展させる予定であった．
今年度は，(1)-(3)全ての課題に対して基盤理論の整備がほぼ整った．(1), (2) に対してはすでに論文が出版され，(3)については投稿準備中である．さらに(1)について，実験グループとの共同研究も成果を上げることができた．（論文投稿済み）
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| Strategy for Future Research Activity |
研究は概ね順調に進展しているので，当初計画通り研究を遂行する．
特に（１）白石グループのスピントルク強磁性共鳴で用いた試料状況をそのまま徳永グループで強磁場物性測定し，スピン状態を明確にする．（３）量子極限領域の磁化計算を完成させ，徳永グループの磁化測定の解析を行う．
当初予定ではBiやIV-VI族半導体（PbTeなど）のみを対象にしていたが，研究が順調に進展していることを受け，さらに研究対象を広げる．おなじV族でも結晶構造の異なる黒リンや，ディラック電子系と関連性の強いワイル電子系Cd3As2等についても研究を進める．
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