| 研究課題/領域番号 |
22K13998
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分13030:磁性、超伝導および強相関系関連
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
奥村 駿 東京大学, 物性研究所, 特任助教 (90906695)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2026年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2025年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
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| キーワード | 磁気モノポール / 磁気スキルミオン / ワイル半金属 / 非線形光学応答 / フロッケ理論 / トポロジカル転移 / 磁気ヘッジホッグ / 非平衡現象 / トポロジー / 磁気単極子 / スピントロニクス / 非線形応答 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
磁気単極子は、古典電磁気学の枠組みでは真空中に存在できず、現在に至るまで観測されていない素粒子の一つである。しかし、物質中においては、電子スピンが生み出す量子力学的な有効磁場によって磁気単極子が形成されうることから、新奇な電磁気現象が発現する舞台として注目を集めている。本研究では、近年急速に発展している非平衡系の理論に基づき、磁気単極子をもつ磁性ワイル半金属や磁気ヘッジホッグ格子の電磁気特性を調べる。光や電磁場、電流などの強い外場が印加された系に対して、散逸や緩和を取り入れながら非平衡状態の電気伝導度を微視的に計算することで、磁気単極子に特有の光学応答や輸送現象を開拓する。
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| 研究実績の概要 |
本年度は、本研究課題で注目している物質中の磁気単極子が示す電磁気応答について、主に安定性と静磁場に対する応答についての研究を行い、2報の論文を出版した。まずは、トポロジカルな磁気構造として現れる磁気ヘッジホッグ格子について、空間反転対称性があり反対称磁気相互作用が存在しない系における安定性と磁場に対する振る舞いを調べた。遍歴電子系の有効模型を、モンテカルロ法をベースとした手法で数値的に解くことにより、基底状態において4つの波数ベクトルを持った波の重ね合わせである磁気ヘッジホッグ格子が安定化することを明らかにした。磁場下においては、磁気ヘッジホッグ・反磁気ヘッジホッグ対が消滅しコニカル相へと移るトポロジカル転移を発見した。この結果は実際の候補物質における振る舞いをよく再現することから磁気ヘッジホッグ格子を示す物質開拓において重要なものであり、Journal of the Physical Society of Japan誌にLetter論文として掲載された。
また、我々は近年、このような複数の波状の磁気構造を重ね合わせることで新たな磁気構造を構築したり制御したりする「スピンモアレエンジニアリング」という概念を提唱している。本年度では、重ね合わせる波のパラメタの中でも特に位相自由度に着目し、2次元空間で3つの波を持つ磁気スキルミオン格子や、3次元空間で4つの波を持つ磁気ヘッジホッグ格子について網羅的な研究を行った。相対位相と一様磁化の変化に対して、系のトポロジカルな性質やそれに伴う創発電磁場がどのように振る舞うかを調べ、外部磁場を印加することによって実際に非自明な位相変化を引き起こすことを明らかにした。この成果はAmerican Physical Society Physical Review B誌に掲載された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究課題では、磁気単極子を有する系の非平衡ダイナミクスを調べることを目的としているが、準備段階の平衡系における安定性の議論だけでも申請時に予想していなかった研究成果が出ている。特に、空間反転対称性のある系において、これまでとは対称性の異なる全く新しい磁気ヘッジホッグ格子を初めて発見したことは今後の研究計画において重要な成果である。
一方で、非平衡ダイナミクスの研究に関しては、磁気ヘッジホッグ格子と類似の磁気構造である磁気スキルミオン紐について、スピン偏極電流下における不安定性と動的トポロジカル転移を見出した。これはドイツ・カールスルーエ工科大学のVolodymyr Kravchuk氏、Markus Garst教授との国際共同研究によって得られた研究成果で、現在、学術雑誌に投稿中である。また、もう一つの研究対象であるワイル半金属のフロッケエンジニアリングについても進展中で、２つの対象物質に対する有効模型を構築し、それぞれで全く異なる機構に基づくテラヘルツ光誘起異常ホール効果を発見した。こちらは実験グループとの共同研究で、現在、2本の論文を投稿中である。
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| 今後の研究の推進方策 |
3次元の磁気スキルミオン系において行った非平衡磁化ダイナミクスの研究を、磁気単極子を有する磁気ヘッジホッグ格子に拡張し、マルチフェロイクス的な観点から対称性に基づく集団励起モードの分類を行う。また、金属の磁気ヘッジホッグ格子が示す電気的な非線形応答についても、磁気スキルミオンの系と比較しながら研究を進める。
磁性ワイル半金属におけるフロッケエンジニアリングでは、これまでの研究成果をベースに、時間反転対称性の破れによる超高速磁化反転の理論への展開に着手している。できるだけ簡単な模型から実際の物質における応用までを視野に入れて、強相関電子系の実時間発展を取り扱う計算を行う予定である。
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