2022 Fiscal Year Research-status Report

Fundamental theory of high-frequency ultrasonic resonance as a new probe for unknown spin-quadrupole condensed matter physics

Research Project

Project/Area Number	21K03466
Research Institution	Shizuoka University
Principal Investigator	古賀幹人静岡大学, 教育学部, 教授 (40324321)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	松本正茂静岡大学, 理学部, 教授 (20281058)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2025-03-31
Keywords	磁性 / スピン四極子 / 超音波共鳴 / ダイヤモンドNV中心 / シリコンカーバイド
Outline of Annual Research Achievements	令和4年度の前半は、令和3年度に引き続き、NV中心と呼ばれるダイヤモンド内窒素－空孔複合体の空孔スピン状態に関して、本研究の独自の視点である磁場方向分解超音波共鳴の基礎理論の構築に専念した。この研究によって、NV中心において未確定のままであった、スピン－格子歪み相互作用の結合定数を定量的に評価する新たな方法を提案するとともに、実際の超音波測定についての実験提案も行った。特に、2個のフォノンが絡む超音波共鳴の強度が、NV軸の周りに回転する外磁場の角度に強く依存することを明らかにした研究成果は重要である。また、令和4年度の後半では、スピン制御を目指した実験研究が急速に進展しているシリコン・カーバイド（SiC）のSi欠陥に生じるスピン状態について、これまでの理論研究の拡張として磁場方向分解超音波共鳴の研究を行った。Si欠陥に生じるスピンは格子歪みと強く結合し、超音波によるスピン制御が期待されるもう1つの候補である。空孔スピン状態として、NV中心の基底状態はスピン三重項であるのに対し、SiCの場合はスピン四重項であることが知られている。2020年に報告された磁場回転によるスピン音波共鳴の測定を受け、実験の解析では考慮されていない結晶の対称性を本研究の理論で考慮した。これにより、未確定のスピン－格子歪み相互作用の結合定数を評価する解析方法を提案する。令和3年度から取り組んできたNV中心に関する研究成果は、学術論文として出版され、日本物理学会でも成果発表を行った。本年度のSiCに関する研究成果については、学術論文として投稿準備中である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 令和4年度内に、当初計画どおり、NV中心に関する磁場方向分解超音波共鳴の基礎理論の構築と実験提案について一定の研究成果を得ることができ、また学術論文として成果発表することができた。さらに、海外での研究進展の動向に鑑み、本年度にSiCのSi欠陥スピンに関する超音波共鳴の理論構築に取り組んだ。当初計画にはなかった研究にも着手した結果、スピン四極子に関する新たな知見を得るとともに、実際の実験解析に有用な解析手法を確立するに至った。
Strategy for Future Research Activity	まず、これまでに得られたNV中心に関する研究成果をもとに、実際の観測に向けた適用範囲の広い理論を構築する。表面弾性波による超音波実験が主流であるのに対応して、その超音波共鳴を実現可能性を検討するために、現在の理論を一般化する必要がある。特に、二準位系において、各準位のスピン状態に結合する歪み場の位相を考慮する必要があり、それを新たな理論で考慮する計画である。また、SiCのSi欠陥に生じるスピンの超音波共鳴理論を、実験で検出可能な様々な状態間遷移過程に適用し、実験との比較可能な理論の構築を目指す。また、このスピン状態は四重項であることが知られ、本研究計画の対象物質であるCe系の結晶場磁性四重項とも関連しており、本研究の新たなターゲットとして精査していく予定である。以上、単一スピンから結晶場多重項に至るまで、スピン四極子の性質について超音波によるどのような測定が可能か検討し、さらに複数の原子からなる複合スピン状態への研究へと理論を発展させる。
Causes of Carryover	物品費に関しては、購入予定の数値計算用計算機の仕様に変更があり、検討中である。次年度以降に予定している数値的研究に適した演算能力およびメモリの価格変更を精査した上での購入を計画しているが、現在の研究遂行に支障はない。旅費については、現地開催の学会には計画どおり参加することができたが、参加見送りの会議について出張のために計上していた経費は未使用となった。また、県外への出張制限・自粛要請が緩和されたことにより、他大学の研究室や研究機関との研究交流を再開したところであるが、未使用となった旅費については次年度以降の研究交流に使用する予定である。また、その他の項目として、令和4年度の研究成果に関する論文原稿英文校閲料も計上していたが、次年度に論文としての掲載が確定次第、使用する計画である。