2022 Fiscal Year Research-status Report
「拡張スピン流」の輸送特性とそれに起因する多極子のダイナミクス
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21K14526
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
山口 皓史 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 特別研究員 (50898236)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | リザバー・コンピューティング / スピントルク発振器 / 非線形輸送 / 非線形Hall効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和4年度においては、前年度から引き続き研究してきた磁性体を用いた素子におけるリザバー・コンピューティングについて結果をまとめること、および非線形輸送現象の研究に必要な微視的な定式化を行った。
磁化を動かすことができる磁性層（自由層）を複数有する素子において、前年度までの研究によってリザバー・コンピューティングにおける計算能力が向上し得ることを見出していた。当該年度においては、磁化のダイナミクスと計算能力の関係について詳細に調べた。従来、計算能力がカオスの付近（縁）で向上すると言われていたことから、本研究に用いた素子においてもカオスが生じるかを調べた。その結果、複数の自由層を有する系においてカオスが出現することがわかった。一方、最近ではecho state propertyと呼ばれる性質を持つダイナミクスの付近で計算能力が向上することが本質的であると指摘されている。そこで本研究の素子において調べると、実際にecho state propertyの縁で計算能力が向上していることがわかった。これらの結果は論文として発表済みである。
また、非線形輸送現象についての研究で進展があった。一般に物理量は線形応答のみでなく非線形な応答をすることから、非線形応答について微視的な定式化が必要不可欠である。しかし、従来は半古典的理論によるものが多く、特に温度勾配に対する非線形応答を微視的に定式化したものはほとんどなかった。そこで本研究では、温度勾配を微視的に取り扱う方法を非線形応答に適用できるように拡張した。また、電場と温度勾配を互いに垂直に印加した場合に、その両者に直交する方向へ電流が流れる非線形Hall効果を微視的に定式化し、半古典的解析では見落とされていた寄与があることを見出した。この寄与はある系では主要となることを見つけ、さらに具体的なカイラル結晶のモデルでこの非線形Hall効果が生じることを示した。
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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
多極子を用いた輸送現象の探索はできなかったものの、より基本的な問題である非線形輸送現象についての定式化において大きな進展があった。微視的定式化をしたことで様々な系に対して適用することができるため、研究対象が大幅に広がった。当初の目標に対しては一見遅れているようにも見えるが、大域的に見れば研究が順調に進行していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは定式化した非線形応答の理論を用いて、非線形輸送現象について重要な問題の解決を行う。電場と温度勾配に直交する方向に生じる非線形Hall効果について、結晶構造の性質（カイラル結晶）に由来するものに着目してきたが、「外因的」な性質に由来する場合の研究を行う。具体的には、磁化構造に起因する非線形Hall効果について調べる。また、非線形輸送としての輸送係数の「対称性」や、満たすべき関係などを系統的に調べ、非線形輸送理論の基礎を確立する。さらに、我々の定式化では、非線形Hall効果（電流応答）にとどまらず、他の物理量に対しても適用できる。そこで（非平衡・非線形）スピン密度を計算し、非線形スピントルクを提案する。非線形スピントルクによる特異な振る舞いが生じるか否か、磁化の運動方程式と組み合わせて調べる。
非線形輸送について基本的な問題を大方調べ尽くしたのち、より複雑な物理量として本来も目標であった拡張スピン流の計算に取り組む。対称性の観点から、着目する物理量が応答する（できる）駆動力を見極め、ここまでで定式化した理論に従って計算を行う。
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| Causes of Carryover |
異動初年度で物品の購入のタイミングを伺っていたこと、物価の上昇による物品費用の高騰により購入に踏み切れなかったため。
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