2014 Fiscal Year Annual Research Report
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24224009
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
永長 直人 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60164406)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
十倉 好紀 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30143382)
佐藤 卓 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70354214)
BAHRAMY MOHAMMAD 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (10587463)
岡 隆史 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (50421847)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | スキルミオンダイナミクス / スキルミオニクス / 方向二色性 / 一般化されたディラック電子 / 巨大バルクラシュバ効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
実空間の創発電磁場現象としては、スキルミオンのダイナミクスに関する理論研究を進展させた。電流駆動では慣性質量がほぼゼロになるのに対して、磁場駆動の場合は大きくなること、熱拡散の効果をほぼ無視できること、エッジ沿ってそれに垂直方向に電流を流すと、バルク中に比べて約100倍もの速度で動くこと、などを明らかにした。実験では、スキルミオン形成に由来する弾性変化やスキルミオニクスデバイスが要請する基本動作のビット検出を微細デバイス上で実現した。また、スカーミオン格子の外場駆動の逆空間検証とその機構解明を目指して、Cu2OSeO3 の電場下中性子小角散乱実験（J-PARC, 豪ANSTO）、MnSi の電流下中性子小角散乱実験（米NIST）を実施した。前者では電場によるスカーミオン相スイッチング等の結果が得られたが、後者は電流印加による温度上昇が問題であることがわかった。
一方、運動量空間の創発電磁場現象に関しては、反転対称性、時間反転対称性がある場合の一般化されたディラック電子に対する結晶点群を用いた分類学を完成した。またこの一般化したディラック電子における電子間相互作用効果を繰り込み群により調べ、その固定点のふるまいを明らかにした。実験では、極性半導体BiTeIおけるラシュバ効果によるスピン偏極状態の圧力や光による制御を行い、それぞれトポロジカル表面状態の兆候の観測や光電流制御に成功した。また、バンド構造に特異点をもつSrRuO3や磁性トポロジカル絶縁体においては、それぞれ電界制御による異常ホール効果と本研究の中心課題の一つである量子化異常ホール効果を観測し、運動量空間の創発電磁場の特性を系統的に理解することができた。最後に、ベリー位相のダイナミクスとしてエレクトロマグノン由来のテラヘルツ光の巨大な方向二色性が観測できた。
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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
実空間、運動量空間の双方における多くの創発電磁気学現象が理論、実験両面から明らかにされてきた。実空間に関しては、スキルミオン研究が中心テーマとなり、集中的な研究を行ってきた。ナノメーターの小さいサイズ、高い移動度、トポロジカルな安定性、という優れた特性を示すこの創発粒子はメモリ等の応用に対して大きなポテンシャルを持つ。この観点から、種々の環境下（例えば試料の端に捉えられた状況や室温での熱揺らぎの影響など）におけるスキルミオンダイナミクスに興味の中心が移ってきた。スキルミオンのダイナミクスは磁場中の荷電粒子のそれと類似していることを指摘してきたが、これにより熱揺らぎによる拡散運動は強く抑制されて無視できるほどに小さくなること、エッジモードに相当する特異な運動を試料端で示すことが見いだされた。また、電流駆動による運動に関しては、慣性効果がほぼゼロで、その位置変化は電流の時間依存性を正確に反映すること、など応用上優れた特性が次々に明らかとなった。これらの理論研究を受けて、実験では微細スキルミオンデバイスの作成を行い、そこでの輸送特性の測定が本格化し、スキルミオンの読み出しへの道が拓かれた。また、電流下での準安定相を中性子散乱で観測し、非平衡スキルミオン系の研究が始まった。
運動量空間の観点からは、ラシュバ分裂、ワイルフェルミオン、ディラックフェルミオンなどの電子構造がバンド交差に伴う創発電磁場の発散を伴うことから来る、特異な物性が中心的な研究テーマとなっている。従来はホール効果などの輸送現象が主な対象であったが、中性子散乱によるマグノン観測で、ワイルフェルミオンのスピンダイナミクスへの影響を調べる研究がスタートした。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続きスキルミオンを最重要課題として位置づけ、その研究に注力する。実空間や運動量空間の創発電磁場の観測手法を確立したので、今後は外場やデバイス作製による状態変調を通して、創発電磁場を制御し、スキルミオニクスに向けた更なる機能実現や非散逸エッジ流を伴う量子ホール状態制御、それらの交流電磁波・光応答といったダイナミクスを明らかにする。さらに物質系の開拓を通して、室温におけるスキルミオンの実現、新奇トポロジカルスピン状態の開拓とバルク・表面における電子状態に対するそれらの影響を種々の顕微鏡法を活用して実証する。Cu2OSeO3 の電場下小角中性子散乱では一定の結果が得られた一方で、MnSi実験では電流印加に伴う熱流入と発熱が問題となった。今後は電流下で試料温度を安定させる試料支持機構開発を行い、実験を成功させる。一方、MnSiの極低エネルギー励起測定に用いたJ-PARC/DNA分光器では、電磁石による任意の磁場印加が不可能であった。そこで、試料環境に自由度がある3軸型分光器を用いて任意磁場中でのMnSi の極低エネルギー磁気励起測定を可能にする。
運動量空間に関しては、トポロジカル絶縁体表面状態における強いスピン軌道相互作用に由来する物性、機能の開拓を行う。特に、磁性トポロジカル絶縁体において発見された量子化異常ホール効果は新しい量子現象であり、新奇な物理的性質を持つと予想される。特に、磁化の磁区構造によって実効的に空間に依存した強力な実効磁場が系にかかるという、通常の量子ホール系では不可能な状況が実現する。まさに磁性と量子伝導が操作する格好の舞台を提供している系なので、理論と実験の連携を密に取りながらその研究を進めて行きたい。
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Research Products
(58 results)
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[Journal Article] Photoemission and DMFT study of electronic correlations in SrMoO3: Effects of Hund's rule coupling and possible plasmonic sideband2014
Author(s)
H. Wadati, J. Mravlje, K. Yoshimatsu, H. Kumigashira, M. Oshima, T. Sugiyama, E. Ikenaga, A. Fujimori, A. Georges, A. Radetinac, K. S. Takahashi, M. Kawasaki, and Y. Tokura
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Journal Title
Phys. Rev.
Volume: 90
Pages: 205131-1-8
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Witnessing the formation and relaxation of dressed quasi-particles in a strongly correlated electron system2014
Author(s)
F. Novelli, G. D. Filippis, V. Cataudella, M. Esposito,I. Vergara, F. Cilento, E. Sindici, A. Amaricci, C. Giannetti, D. Prabhakaran, S. Wall, A. Perucchi, S. D. Conte, G. Cerullo, M. Capone, A. Mishchenko, M. Gruninger,N. Nagaosa, F. Parmigiani and D. Fausti
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Journal Title
Nat. Commun.
Volume: 5
Pages: 5112-1-4
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Direct Observation of spin-polarized bulk bands in an inversion-symmetric semiconductor2014
Author(s)
J. M. Riley, F. Mazzola, M. Dendzik, M. Michiardi, T. Takayama, L. Bawden, C. Granerød, M. Leandersson, T. Balasubramanian, M. Hoesch, T. K. Kim, H. Takagi, W. Meevasana, Ph. Hofmann, M. S. Bahramy, J. W. Wells, and P. D. C. King
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Journal Title
Nature Physics
Volume: 10
Pages: 835-839
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] Spin splitting in centrosymmetric solids2014
Author(s)
M. S. Bahramy
Organizer
The 9th general meeting of Asian Consortium on Computational Materials Science (ACCMS-VO)
Place of Presentation
OIST, Kunigamigun Onnason, Okinawa
Year and Date
2014-12-20 – 2014-12-22
Int'l Joint Research
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[Presentation] カイラル磁性体Cu2OSeO3におけるスカーミオン格子の巨大電気磁気応答の観測2014
Author(s)
東大樹, 南部雄亮, 奥山大輔, 佐藤卓, 大石一城, 高田慎一, 鈴木淳市, 関真一郎, 十倉好紀
Organizer
日本物理学会2014秋季大会
Place of Presentation
中部大学春日井キャンパス, 春日井市, 愛知
Year and Date
2014-09-07 – 2014-09-10
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[Presentation] カイラル磁性体Cu2OSeO3におけるスキルミオン格子のダイナミクス2014
Author(s)
南部雄亮, 東大樹, 奥山大輔, 関真一郎, 大石一城, 高田慎一, 鈴木淳市, 十倉好紀, 佐藤卓
Organizer
日本物理学会2014秋季大会
Place of Presentation
中部大学春日井キャンパス, 春日井市, 愛知
Year and Date
2014-09-07 – 2014-09-10
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