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非相反フォノン流の巨大化とその逆効果の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 20K03828
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
研究機関東北大学

研究代表者

新居 陽一  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (80708488)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2020年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワードフォノン / 非相反性 / トポロジー / 対称性の破れ / マグノンフォノン結合 / 表面弾性波 / マルチフェロイクス / フォノン角運動量 / 磁気弾性結合 / キラリティ / 非相反科学
研究開始時の研究の概要

近年の物性物理学では、スピンホール効果、トポロジカル絶縁体、マルチフェロイクスなど、スピン軌道相互作用に由来する質的に新しい電子状態が注目を集めている。なかでも空間反転対称性と時間反転対称性が同時に破れた系で生じる「非相反性」が近年大きな着目を集めている。本研究ではフォノンにおけるスピン軌道相互作用に着目することで、①フォノン非相反性の巨大化および②フォノン非相反性の逆効果(磁化・電気分極などの対称性制御)に挑戦する。これによって音や熱を電気・磁気的に制御するための基礎原理が開拓されフォノンの相対論効果に関する学理が進展する。

研究成果の概要

フォノンの非相反物性に関連して4つの成果を得た。①キラル磁性体MnSiにおいてフォノン版ラシュバ分裂が生じていることを明らかにした。一方、磁場効果は観測されず小さなものであることが分かった。②表面弾性波をもちいて強磁性Niの磁化を選択的に制御できることを明らかにした。③巨大な磁気弾性結合を示すTb2Ti2O7の超音波・磁歪測定から低温の四極子秩序温度よりずっと高温から四極子相関が存在していることを明らかにした。④ナノスケールの人工フォノニック結晶を作成しGHz領域におけるトポロジカル音波状態を実現し、エッジ状態を直接観測した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

数年間大きく発展してきた非相反研究分野であるが、本研究ではフォノンに焦点をあて研究を推し進めることで、主に電子系で発展してきたスピン軌道物性の類似現象が、フォノンにおいても生じていることを明らかにした。特にフォノンによる磁化制御やフォノンバンド分裂などは、対称性の破れと角運動量自由度が結びつくことを示した実験例であり、これを一つの契機としてより多くの新現象開拓へと発展する可能性がある。またトポロジカル表面弾性波の実現は、表面弾性波デバイスや量子トランスデューサなど関連する応用分野へ貢献する可能性もある。

報告書

(4件)
  • 2022 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2023 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 8件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 5件、 招待講演 9件)

  • [雑誌論文] Imaging an Acoustic Topological Edge Mode on a Patterned Substrate with Microwave Impedance Microscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Nii, Y. Onose
    • 雑誌名

      Physical Review Applied

      巻: 19 号: 1 ページ: 014001-014001

    • DOI

      10.1103/physrevapplied.19.014001

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nonreciprocal microwave response at room temperature in multiferroic Y-type hexaferrite BaSrCo<sub>2</sub>Fe<sub>11</sub>AlO<sub>22</sub>2022

    • 著者名/発表者名
      Hirose Sakyo, Iguchi Yusuke, Nii Yoichi, Kimura Tsuyoshi, Onose Yoshinori
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 121 号: 22 ページ: 222401-222401

    • DOI

      10.1063/5.0124283

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Elastic study of electric quadrupolar correlation in the paramagnetic state of the frustrated quantum magnet Tb2+δTi2-δO72022

    • 著者名/発表者名
      Nii Y.、Hirokane Y.、Nakamura S.、Kabeya N.、Kimura S.、Tomioka Y.、Nojima T.、Onose Y.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 105 号: 9 ページ: 094414-094414

    • DOI

      10.1103/physrevb.105.094414

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effect of symmetry breaking on short-wavelength acoustic phonons in the chiral magnet MnSi2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Nii, Y. Hirokane, T. Koretsune, D. Ishikawa, A. Q. R. Baron, and Y. Onose
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 104 号: 8

    • DOI

      10.1103/physrevb.104.l081101

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Chirality Memory Stored in Magnetic Domain Walls in the Ferromagnetic State of MnP2021

    • 著者名/発表者名
      Jiang N.、Nii Y.、Arisawa H.、Saitoh E.、Ohe J.、Onose Y.
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 126 号: 17 ページ: 1-5

    • DOI

      10.1103/physrevlett.126.177205

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書 2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Magnetization control by angular momentum transfer from surface acoustic wave to ferromagnetic spin moments2021

    • 著者名/発表者名
      R. Sasaki, Y. Nii, Y. Onose
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 12 号: 1 ページ: 2599-2599

    • DOI

      10.1038/s41467-021-22728-6

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Nonreciprocal electronic transport in PdCrO2: Implication of spatial inversion symmetry breaking2021

    • 著者名/発表者名
      M. Akaike, Y. Nii, H. Masuda, and Y. Onose
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 103 号: 18 ページ: 184428-184428

    • DOI

      10.1103/physrevb.103.184428

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nonreciprocal thermal transport in a multiferroic helimagnet2020

    • 著者名/発表者名
      Hirokane Yuji、Nii Yoichi、Masuda Hidetoshi、Onose Yoshinori
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 6 号: 40

    • DOI

      10.1126/sciadv.abd3703

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 対称性の破れとトポロジー に起因したフォノン応答の開拓2023

    • 著者名/発表者名
      新居陽一
    • 学会等名
      金研研究会~強相関物質における創発物性研究の現状と将来展望~
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Topological transport of GHz surface acoustic wave2023

    • 著者名/発表者名
      Yoichi Nii, Yoshinori Onose
    • 学会等名
      META 2023, the 13th international conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nonreciprocal phenomena and its inverse effect in noncentrosymmetric magnets2023

    • 著者名/発表者名
      Yoichi Nii
    • 学会等名
      Trends in Topological Materials Science and beyond
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 走査型マイクロ波顕微鏡を用いた トポロジカル表面弾性波の観測2022

    • 著者名/発表者名
      新居陽一、小野瀬佳文
    • 学会等名
      第83回 応用物理学会 秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] バレーフォノニック結晶における GHzトポロジカル表面弾性波の直接観測2022

    • 著者名/発表者名
      新居陽一、小野瀬佳文
    • 学会等名
      第143回東北大学金属材料研究所講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 音波の整流効果とトポロジカル機能2022

    • 著者名/発表者名
      新居陽一
    • 学会等名
      メタマテリアル第187回委員会研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 空間反転対称性の破れた磁性体における非相反輸送現象とその逆効果2022

    • 著者名/発表者名
      新居陽一
    • 学会等名
      第4回強磁場コラボラトリーオンラインセミナー
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 表面弾性波を用いた トポロジカルフォノニクスと 磁気弾性応答2022

    • 著者名/発表者名
      新居陽一
    • 学会等名
      トポロジカルフォノニクス研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Nonreciprocal transport and its inverse effect in noncentrosymmetric magnets2022

    • 著者名/発表者名
      Yoichi Nii
    • 学会等名
      Summit of Materials Science 2022 and GIMRT User Meeting 2022 Affiliated with KINKEN WAKATE 2022
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Effect of symmetry breaking on phonons in noncentrosymmetric magnets2021

    • 著者名/発表者名
      Yoichi Nii
    • 学会等名
      Workshop on meV-Resolved Inelastic X-ray Scattering
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nonreciprocal phenomena of phonon in noncentrosymmetric magnets2020

    • 著者名/発表者名
      Yoichi Nii
    • 学会等名
      CEMS Topical Meeting Online "Magnon-Phonon Coupling"
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-01-30  

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