2022 Fiscal Year Research-status Report
First-principles calculation of finite-temperature transport properties including effects of phonons and magnons
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21K03397
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
赤井 久純 大阪大学, 大学院工学研究科, 招へい教授 (70124873)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 電子フォノン散乱 / 電子マグノン散乱 / 電気伝導度 / 光学伝導度 / 線形応答理論 / 第一原理計算 / KKR-CPA / 有限温度輸送現象 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
完全結晶における有限温度の電子輸送現象に関しては，電子フォノン散乱及び電子マグノン散乱が本質的である．不規則性や界面・表面を必然的に含む現実物質においても，これらの散乱が輸送現象の温度依存性の主要な要因となっている．本研究の目的は，フォノン及びマグノンによる電子散乱効果を取り入れた第一原理電子状態計算に基づき，電子輸送現象を定量的に評価することである．これらの散乱効果は有限温度における効果であり，温度を指定したときのフォノン・マグノン励起を評価する必要がある．しかもフォノンやマグノンは電子系と相互作用するため，電子状態の計算とあわせてセルフコンシステントに決める必要がある．本年度はフォノン・マグノン励起を，与えられた温度のもとで評価するための理論の構築とそれに基づく計算アルゴリズムと計算機コードの開発を行った．フォノン励起に関してはフォノンの第一原理計算を組み込むことが最も望ましい方法であるが，計算コストが極めて高くなるために，デバイモデルで代用した．デバイモデルを適用するに当たってはデバイ温度の実験的および理論的データをデータベースの形でコード内部に取り込み，それをもとにしてフォノン励起の計算を行った，マグノン励起に関してはマグノン励起数とフォノン・マグノン励起のもとでの低エネルギー有効ハミルトニアンの構築をセルフコンシステントに行う多重ループを持つ計算機コードを開発した．これらの開発の結果，任意の有限温度におけるフォノン・マグノン励起を考慮した第一原理電子状態計算の実行が可能となり，これを用いて多層幕の有限温度における電気伝導度の試験的な計算を実施して妥当な結果が得られることを確認した．
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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
与えられた温度のもとでフォノン励起とマグノン励起の双方を同時に取り入れてセルフコンシステントに計算することは相当に困難な問題であると予想されていたが，それらを取り入れた計算を実行できるようになった．これらの効果を考慮して温度をパラメータとして輸送現象を計算した例は世界的にみてこれまでにはなく，計画以上の満足すべき成果といえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)現在のコードは，実際には伝導に関与しないチャンネルを含めてすべての成分を含んだグリーン関数に対して線形応答理論を適用しており，角運動量が大きくなると計算時間の増加が著しい．特に，合金系の場合やフォノン散乱，マグノン散乱を取り入れた計算にはバーテックス補正が必須であり，チャンネル数の増加が大きなネックになる．この点を改善するために，寄与するチャンネルだけを用いて計算を進めるコードの開発を行う．(2)純金属，規則および 不規則合金の電気伝導の温度依存性の網羅的計算を実施する．結果の蓄積を行い，これを機械学習におけるデータとして供する．(3)最近合成に成功した反強磁性ハーフメタル(CrFe)S2について3層構造をもつGMR素子の有限温度輸送特性をシミュレートして，高性能デバイスとしての可能性をさぐる.(4)ゼーベッ クおよびスピン・ゼーベック効果の計算を行う．これらの特性を決める機構を個々の物質について議論するとともに，より大きな熱電効果が期待できる物質の探索へ向けた評価を実施する.
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| Causes of Carryover |
計算機コードの開発およびテスト計算に実施のために必要な計算機として東京大学物性研究所に設置されている計算機を使用することができたので，計算機使用料等が発生しなかった．また，国際会議への集積を予定していたがコロナ禍の影響で参加を取りやめた．これらの事情から2022年度において未使用額が生じた．この未使用額は2023年度に，本課題において開発した計算機コードを用いた有限温度電子状態の大規模計算を，外注もしくは仮想サーバーサービスを利用して実施するために使用する予定である．また国際会議での発表のための旅費としても使用する予定である．
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