2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of ab-initio spin dynamics simulator and its application to spintronics materials
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20K05303
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
佐藤 和則 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (60379097)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / スピントロニクス / コヒーレントポテンシャル近似 / KKRグリーン関数法 / QSGW法 / 磁気励起特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
基本的な強磁性体やスピントロニクス材料、磁気冷凍材料について、その有限温度での物性を第一原理から精度よく計算する手法を開発し、それを新規スピントロニクス及び磁性材料のデザインに応用することを目的として研究を実施している。本年度は、(1)準粒子自己無撞着GW法(QSGW法)に基づく磁気励起スペクトルの超高精細計算とそれにもとづくモデル構築、(2)希土類添加GaNの電子状態計算とキャリア制御法のデザイン、(3)磁気冷凍材料の多階層連結シミュレーション、を実施した。
(1)について、前年度にCo2(Mn, Fe)Siなどの典型的なハーフメタル材料について磁気励起スペクトルを系統的に計算し、スピン波分散の超高精細計算を典型的な強磁性体について実施した。本年度はこのようなスピン揺らぎの効果を入れたスピン波分散から有効ハイゼンベルクモデルを構築する一般論について議論を進め、バンド構造と磁気励起を高精度に対応づけることで遍歴磁性の精密な議論が可能なモデル構築の方法論について論文化した。
(2)について、KKR-CPA法によるEu添加GaNの電子状態の第一原理計算を行い、その解析からEuと母体価電子帯との混成の効果と、Euサイトの交換相互作用エネルギーの競合から、GaNでのキャリアドーピング可能性について不純物選択のガイドラインを与えた。本成果により、ワイドバンドギャップ半導体で一般に問題となる単極性を乗り越えたキャリアドーピングが可能となることが期待される。
(3)について、典型的な磁気冷凍材料の一つであるFeRhをはじめいくつかの系について、KKR-CPA法による電子状態計算を行い、磁気力定理や固定磁気モーメント法による磁気エネルギー計算と、統計熱力学的計算を組み合わせて磁場や温度変化に対する磁気エントロピー変化の計算を実施し、磁気冷凍材料のデザインが可能となった。
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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
申請書で研究項目として挙げている、QSGW法の磁気励起スペクトル計算への応用に関しては、本年度は、昨年度の超高精細計算を元に、より詳細に遍歴電子系の磁気励起を議論しモデル化するための理論基盤の整備ができ、その論文発表を行うことができ、十分な進展があったと考えている。半導体中に埋め込まれた希土類や遷移金属の電子状態をQSGWにより計算しモデル化する方法への応用が鳥取大小谷教授との共同研究で大きく進んでおり、発光材料への応用など予定以上に進展している。
多階層連結シミュレーションについては、従来から用いているハイゼンベルク模型に基づく有限温度磁性の計算について磁気冷凍材料に注目して計算を進め、新たな分野への応用が可能となった。前年度の報告で指摘した縦ゆらぎを入れたモデル化については、Fe-Pdインバー合金への有限温度磁性と熱膨張係数の計算法を元に、本年度は固定磁気モーメント法（Fixed Spin Moment method）によるアプローチを試みた。磁気エネルギーの磁気モーメント依存性とイジングモデルによる自由エネルギーの表式を組み合わせることで、FeRhで観測されている反強磁性-強磁性転移を定量的に予測できることが明らかとなり、スピントロニクス材料に加えて磁気冷凍材料のデザインへと計算機マテリアルデザインの可能性を広げることができた。また、これまで行ってきた希土類添加半導体系のKKR-CPA計算もワイドギャップ半導体の価電子制御法のデザインという思わぬ方向への成果につながり、新しい研究発展の方向性を示唆できた。
以上のことから、両方の 研究項目について成果が得られていることと、研究を進めるうちに新しい方向性を発見できたということから、「当初の計画以上に進 展している」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
QSGW計算については、半導体中の希土類や遷移金属不純物のモデル化など、計画書以上に進展しており、今後もこの方向性で鳥取大の小谷教授との共同研究を進めていく予定である。現在は多重項励起特性について計算を行っているが、磁気励起特性への応用を目指す。昨年度に引き続き鳥取大で研究会を企画したが大雪により開催できなかった。また、2021年度はコロナの影響でウプサラ大、ヨハネスケプラー大や上海交通大学との国際研究交流があまり実施できなかったので、本年度にこれらの海外へのネットワーク拡大を実現するようにワークショップを企画する予定である。
多階層連結シミュレーションに関しては、KKR-CPA法の特色である、LMD状態の計算を有限温度磁性に応用する方向を検討し、磁性体の自由エネルギーへの、格子振動の寄与、磁気励起の寄与をそれぞれデバイモデルまたはフォノン計算とLMDを用いた計算により実行し、 磁性体のエントロピーの温度依存性を計算する。さらに、固定磁気モーメント法を活用して自由エネルギーへの磁気エネルギーの寄与を定量的に計算し、簡便かつ精密な磁気エントロピー計算の可能性を検討する。そして、スピントロニクス材料の有限温度の電子状態計算に応用するほか、直接的には磁気冷凍材料の計算機マテリアル デザインに適用する。
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