2022 Fiscal Year Annual Research Report
トポロジカル磁性体のマグノンドラッグ効果を用いたスピン流熱電効果
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21H01799
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Toho University |
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Principal Investigator |
大江 純一郎 東邦大学, 理学部, 教授 (40510251)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河野 浩 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (10234709)
安立 裕人 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (10397903)
大槻 東巳 上智大学, 理工学部, 教授 (50201976)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / 異常ネルンスト効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
トポロジカルな磁化構造を有する磁性体中の磁化ダイナミクスについて理論的研究を行った。特に、空間反転対称性が保存しているフラストレーション磁性体における磁気渦構造のトポロジカル量制御についての研究を行った。1次元的な螺旋構造を有するヘリカル磁性体では、電流を印加しながら磁化構造緩和させることで、らせん構造の縮退した右手系・左手系を制御できることを示した。また、2次元的なスカーミオン構造を特徴づけるトポロジカルチャージと呼ばれる量を、円偏光を照射することで制御できることを示した。分担者の大槻は、機械学習を用いて，ナノスケールの伝導体が示すノイズライクな磁気指紋を解釈した。また，準周期系の研究を行い，その電荷密度がハイパーユニフォームであること，また準周期ポテンシャルによって駆動される3次元非局在・局在転移が通常のアンダーソン転移を同じであることを実証した。分担者の河野は、反強磁性体におけるトポロジカル・スピンホール効果の解析を進め、論文として投稿した。また、反強磁性体のスピン起電力をその散逸補正（β項）および非断熱過程を含めて調べ、創発スピン電場、創発電場、創発スピンポテンシャルを同定した。反強磁性ギャップ近傍では、横スピン伝導度が増大することを見出した。さらに、トポロジカルな磁化構造の形成に重要な役割を果たすジャロシンスキー・守谷相互作用の理論解析を進めた。バンド電子と局在スピンの交換相互作用に起因する効果を微視的に調べた。面直磁化のラシュバ系のように、磁化とスピン軌道磁場が直交する場合は、ジャロシンスキー・守谷相互作用は平衡スピン流と厳密に関係づけられることを見出した。
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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
現在までに、磁化ダイナミクスを計算するための数値計算プログラムを開発し、GPUを用いた並列化を行った。特に、フラストレーション系を示す長距離交換相互作用、強磁性結合、ジャロシンスキー・守谷相互作用、双極子相互作用などを取り入れ、大規模な系の磁化ダイナミクスの計算が可能になった。また、円偏光照射下の伝導電子スピンと局在磁化間のｓｄ相互作用を考慮した磁化ダイナミクスを計算可能にした。これらのプログラムを用いて、磁化構造のトポロジカル量を制御する方法を提案した。このようにトポロジカル量を制御した磁化構造における磁性熱電効果を計算するためのプログラム作成を行っている。さらに、スピン波波動関数を、機械学習を用いた画像解析により調べるため、long-short term memory networkというタイプのニューラルネットワークを導入した。また、磁性体・非磁性体の多層膜構造に現れるRKKY相互作用が存在する場合のスピン波励起とマグノンドラック効果について、大きなスピン流が発生するという解析結果を得た。また、面直磁化のラシュバ系のように、磁化とスピン軌道磁場が直交する場合は、ジャロシンスキー・守谷相互作用は平衡スピン流と厳密に関係づけられることを見出した。これは、以前から（スピン軌道相互作用が弱い場合に）知られていたジャロシンスキー・守谷相互作用と平衡スピン流の関係を、スピン軌道相互作用が強い場合に拡張したものと見ることができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
磁性膜間のRKKY相互作用が存在する場合の磁性・非磁性多層膜系における磁性熱電効果について数値解析を行う。磁性多層膜における異常ネルンスト効果、ゼーベック効果についてマグノンドラック効果を計算する。非磁性体の膜厚変化によるRKKY相互作用の符号変化によって、スピン波スペクトルや熱勾配下のスピン波励起が変化すると予想される。スピン波強度の増大によって、マグノンドラック効果が増大するため、実際の系における熱電係数の増大を定量的に議論する。また、3次元古典スピン系では、hopfionと呼ばれるねじれた磁化構造を形成することが可能なため、3次元フラストレーション系の温度勾配による磁化ダイナミクスを解析する予定である。研究によって得られた磁性熱電効果とスピン波画像を機械学習によって解析し、より大きなマグノンドラック効果を得るための磁化構造の設計指針を明らかにする。
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