2020 Fiscal Year Research-status Report
Theory of nonlinear response phenomena in noncentrosymmetric magnets
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19K14649
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
石塚 大晃 東京工業大学, 理学院, 准教授 (00786014)
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2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | スピン流 / 非線形光学効果 / シフト流 / スピントロニクス / 量子磁性体 / トポロジカル絶縁体 / 軌道自由度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、GHzおよびTHz領域の縦偏光を用いたスピン流および軌道流の整流効果についての理論研究を行った。特に、強磁性体におけるスピン流整流効果の一般的性質の解析と、反転対称性のある物質における軌道流の整流効果について研究を進めた。
反転対称性の破れた強磁性体における非線形スピン流については、昨年度に非線形スピン流伝導度が有限になることを確認している。より詳細な解析を行うため、本年度はマグノン数を保存しない励起過程における非線形応答理論の一般公式を導出した。この公式を用いて、マグノンのバンド１枚のみを介してスピン流が生じる１バンド過程と２つのバンドを介する２バンド過程の二つがあることを確認した。これらの過程のうち、１バンド過程では波数ゼロのマグノンの群速度がゼロの場合にはスピン流が整流しない。最近の関連した研究においてスピン流整流におけるジャロシンスキー・守屋（DM）相互作用の必要性が議論されているが、上記の結果は関連研究の結果と合致している。一方で、２バンド過程はマグノンの群速度に依存しないため、DM相互作用がない系でも見られる可能性がある。実際に、DM相互作用を持たない簡単な模型を考え、２スピン過程によるスピン流の整流が起こることを確認した。
次に、反転対称性のある物質における軌道流の整流効果について解析を進めた。トポロジカル絶縁体の代表的なモデルであるBHZ模型や、２次元ディラック電子、遷移金属カルコゲナイド系の有効模型を用いて、応答強度や測定方法に関する詳細な解析を進めた。その結果、現在使用可能な強度のTHz光源でも測定可能な大きさの誘電分極を生成できることを見出した。
以上のように、本年度は当初予定していた３つの非線形スピン流の励起方法のうち、残っていた最後の一つについて実証することができた。さらに、軌道流についても実験可能な強度の応答が期待できることを確認した。
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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
本課題の目的は、異常光機電効果の物理が電子励起以外の励起でも見られるのではないかという発想をもとに、比較的実験が容易と思われる非線形スピン流の光誘起を理論的に検証することである。具体的な励起方法として、計画では３つの励起方法を候補として挙げたていた。このうち２つについては昨年の研究において、スピン流が励起可能であることを確認した。本年度は、残っていた１つについて検証し、光誘起スピン流を生じることを見出した。以上の成果から、本課題の根幹をなす概念の実証を本年度中に達成できたといえる。したがって、当初の予定を上回る速度で研究が進展している。
さらに、上記のスピン流に関する研究を進める過程で、電子系の軌道流についても同様の方法で励起できる可能性に気が付いた。本年度は、この軌道流に関する解析も進め、遷移金属第カルコゲナイドなどの物質において実際に観測可能な強度の軌道流が生じることを理論的に確認した。
以上のように、本計画の中心的課題は本年度の研究ですべて達成することができた。さらに、今後大きな発展性のある新しい現象を発見することもできた。よって、当初の予定を上回る進展が得られているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は、強磁性体のスピン流生成について引き続き研究する。これまで得られた成果をもとに、具体的なモデルにおける解析を通して物理の直観的な理解を目指す。さらに、それらの成果を論文にまとめる予定である。また、本年度までの研究で実験的検証に必要な基本的知見を得ることができたため、来年度は実験グループと積極的な交流を進め、実験的検証に向けた準備を進める計画である。
次に、軌道流についてもシリコンなど、より高品質な結晶が得られやすい物質について解析し、軌道流の実験的観測に向けた研究を進める。
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| Causes of Carryover |
応募時点では想定していなかった新型コロナウイルス感染症の拡大と関連した半導体製品の品薄の為、購入予定の科学計算用ワークステーションの納品目途がたたず、今年度内の購入を断念したため物品費の繰り越しが生じた。
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