| 研究課題/領域番号 |
23H00088
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分13:物性物理学およびその関連分野
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
井手上 敏也 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90757014)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
48,880千円 (直接経費: 37,600千円、間接経費: 11,280千円)
2025年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2024年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2023年度: 36,140千円 (直接経費: 27,800千円、間接経費: 8,340千円)
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| キーワード | 整流現象 / 対称性の破れ / スピン / 励起子 / フォノン |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、固体における対称性の破れが様々な量子力学的自由度の流れの非対称性にもたらす影響を包括的に研究し、多種多様な量子力学的素励起の整流性を実現すると同時に、その背景にある原理を明らかにすることで非対称量子輸送の物理学の確立と学理構築に取り組む。これまで開拓してきた量子力学的整流現象の研究を大きく発展、拡張することによって、固体中の量子自由度を制御する有望な機能を実現すると同時に、非対称量子流に関する包括的知見や新概念の提案によって物性研究の新潮流の創出を目指す。
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| 研究実績の概要 |
固体中の対称性の破れを反映した新奇整流現象の研究を推進した。
特に空間反転および時間反転が同時に破れるような数原子層の磁性体やそのヘテロ界面に着目して、バルク試料では実現しないようなエキゾチックな磁気対称性を反映した第二次高調波発生や光起電力効果の観測に取り組んだ。
数原子層の磁性体の研究では、層間反強磁性秩序を持つ2層CrSBrに光を照射したときに、反強磁性相で自発的光電流が流れることを発見した。観測された光電流は、2種類の反強磁性ドメインによって逆符号を示しており、磁気対称性を反映した新しい機構の光起電力効果であると考えられる。
また、原子層磁性体ヘテロ界面の研究では、磁気異方性の異なる原子層磁性体であるCrI3とCrCl3のヘテロ界面を作製することで、非共線的磁気秩序やそれを反映した電気分極とトロイダルモーメントが実現すること、およびそれらがどちらも第二次高調波発生に影響することを明らかにした。第二次高調波発生の温度依存性や磁場依存性、直線偏光角度依存性を詳細に調べることで、電気分極やトロイダルモーメントの寄与を見積もると同時に、磁場によってCrI3やCrCl3のスピンの向きを変化させることで電気分極とトロイダルモーメントを独立に制御できることを見出した。
さらに、原子層物質の対称性を動的に制御することで発現する新奇整流現象を探索するために、ナノ機械共振器構造の作製および高周波印加と光測定を合わせた手法によるナノ機械共振器応答の評価を、グラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイドを用いて行った。今後、様々な原子層物質を用の動的対称性制御下における光応答や輸送特性を測定することによって、新奇整流現象の研究を推進する予定である。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
理由
スピン自由度を反映した新奇整流現象研究において、顕著な進展が見られた。
数原子層の反強磁性体における光起電力効果の研究では、これまで報告してきたような分極を反映した自発的光電流とは起源の異なる光起電力効果を発見し、マクロな磁化や分極を持たない物質においても電荷やスピンの整流現象が実現できることを実験的に示した。
また、原子層ヘテロ界面における第二次高調波発生の研究では、分極とトロイダルモーメントの両方が第二次高調波発生に本質的影響を与えており、加えてそれらがが独立に制御できることを示した。
これらの成果は、いずれも原子層磁性体における新しい制御手法や新奇整流現象を発見したと言え、スピン自由度を反映した整流現象・機能開拓に重要な知見と大きなインパクトを与えるものと考えられる。
さらに、高周波印加と光測定を合わせた手法によってナノ機械共振器構造応答の評価ができるような測定系を構築し、原子層物質の対称性を動的に制御することで新奇整流現象を探索するための基礎を確立できたが、これは当初想定していた以上の進展である。
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| 今後の研究の推進方策 |
固体中の対称性の破れを反映した、電荷やスピン、格子等の量子力学的自由度に関連する新奇整流現象の研究を推進する。
前年度に発見した数原子層磁性体や磁性ヘテロ界面における新奇整流現象が層数や（積層角度や積層順序、電極構造といった）デバイス構造、電場や磁場、歪み印加といった外場印加によってどのように変調されるかを調べ、微視的機構に関する理解を深める。
加えて、これら数原子層磁性体や磁性ヘテロ界面における動的な対称性の制御とそれによる新奇整流現象の開拓にも取り組む。具体的には、これら特徴的磁気対称性が実現している原子層磁性体や界面のスピン励起（スピン波・マグノン）に着目し、スピン励起が生じたときに前述した磁気対称性を反映した整流現象がどのように制御され得るのか、また、スピン励起自体を反映した本質的に新しい整流性が発現するかを検証する。さらに、格子自由度にも着目し、ナノ機械共振器構造等を利用することで原子層磁性体膜を振動させたときに、対称性やそれを反映した整流現象がどのように影響を受けるか、対称性の変化によって新規整流現象が発現し得るかを調べる。
これら研究を推進することで、対称性を制御した原子層物質で生じる様々な量子自由度の整流現象とその関係性に関して理解し、固体中の非対称量子輸送に関する包括的知見を得る。
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