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強相関電子系におけるトポロジカル非線形機能の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 23K25816
補助金の研究課題番号 23H01119 (2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2023)
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
研究機関東京大学

研究代表者

森本 高裕  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (00631780)

研究分担者 北村 想太  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (40848553)
奥村 駿  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90906695)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2028-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円)
2027年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2026年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2025年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2024年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2023年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
キーワードトポロジカル非線形応答 / シフト電流 / 非相反電流 / 強相関電子系 / マルチフェロ磁性体 / 非摂動伝導 / トポロジカル磁性体
研究開始時の研究の概要

物質中電子の幾何学位相を基盤とした非線形応答現象(トポロジカル非線形応答現象)は、高効率の太陽電池や新規ダイオードへの応用可能性から、現在精力的に研究がなされています。これまでは弱相関系が主な研究対象でしたが、一方で、強相関電子系においては多彩な量子相や集団励起モードがあらわれるため、それら特有の量子位相に起因した新たな非線形機能が現れると期待されます。本研究では、強相関電子系、特に反転対称性の破れた磁性体・超伝導体・モット絶縁体などにおいて、場の理論的手法と数値計算を組み合わせてシフト電流・非相反電流などについて理論解析を行い、応答の巨大化や強相関系特有の量子位相構造の解明を目指します。

研究実績の概要

非線形光学効果については、二周期外場によるディラック電子系における光電流生成について解析を行った。二周期外場は2つの異なる周期をもつ電場を重ね合わせることで得られ、2つの周期の比に応じて特徴的な回転対称性をもつ電場パターンを示す。私たちは二周期外場の電場パターンを利用して物質中電子の空間対称性を実効的に制御することで、これまで光電流発生があまり議論されてこなかった反転対称な物質においても、光電流駆動が可能なことを示した。特に、ディラック電子系においてはそのギャップレス性から低周波領域において大きな二周期外場による光電流発生が可能であることを明らかにした。
非摂動的な伝導現象については、絶縁体の直流伝導を計算するフレームワークとして、量子マスター方程式を用いた定式化を行った。量子マスター方程式の最も簡便な扱いとして緩和時間近似(もしくは半導体ブロッホ方程式)と呼ばれるものが広く用いられているが、絶縁体の直流伝導現象にこの手法を適用すると非物理的な電流が生じてしまうことを明らかにした。私たちは量子マスター方程式の微視的な取り扱いに基づき、計算量をほとんど変えずにこの問題を解消する緩和項の導入方法を提唱した。
トポロジカル磁性体については、磁気スキルミオンが成す3次元紐状構造に対して、平行方向のスピン偏極電流が引き起こすダイナミクスについて解析・数値計算を行った。そこでは非線形なスピン波励起によってスキルミオンが不安定化し、強磁性へのトポロジカル転移が起きうることを理論的に明らかにした。

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

光電流発生を中心とした非線形光学効果の解析が順調に進んでいる。トポロジカル磁性体では、磁気スキルミオンなどが示す光起電力や高次高調波発生などの非線形光学応答について解析を進めている。また、外場を摂動論的に取り扱うことができない状況を取り扱うための理論的な方法論の整備が順調に進んでおり、この手法を応用した非相反伝導現象の解析に取り組み始めている。

今後の研究の推進方策

電子的なバンドギャップより下のエネルギースケールであらわれる準粒子励起の非線形光学応答を検討することで、より広い波長帯における光起電力効果の開拓を行っていく。
非摂動的な応答現象については、量子マスター方程式に基づく伝導現象の解析や高次高調波発生の機構の微視的な記述に取り組む。
トポロジカル磁性体については、磁性と結合した電子状態についてより直接的な計算を行うために、実空間・実時間発展による大規模なシミュレーションの計算コードを開発し、ノンバイアスな数値手法に基づいて解き明かす方針である。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (32件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (25件) (うち国際学会 13件、 招待講演 7件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Floquet Weyl states at one-photon resonance: An origin of nonperturbative optical responses in three-dimensional materials2024

    • 著者名/発表者名
      Yoshua Hirai, Shun Okumura, Naotaka Yoshikawa, Takashi Oka, Ryo Shimano
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 6 号: 1

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.6.l012027

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Time-dependent Gutzwiller simulation of Floquet topological superconductivity2024

    • 著者名/発表者名
      Anan Takahiro、Morimoto Takahiro、Kitamura Sota
    • 雑誌名

      Communications Physics

      巻: 7 号: 1 ページ: 99-99

    • DOI

      10.1038/s42005-024-01586-w

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Instability of Magnetic Skyrmion Strings Induced by Longitudinal Spin Currents2023

    • 著者名/発表者名
      Shun Okumura, Volodymyr Kravchuk, Markus Garst
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 131 号: 6 ページ: 66702-66702

    • DOI

      10.1103/physrevlett.131.066702

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Emergent electric field from magnetic resonances in a one-dimensional chiral magnet2023

    • 著者名/発表者名
      Kotaro Shimizu, Shun Okumura, Yasuyuki Kato, Yukitoshi Motome
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 108 号: 13 ページ: 134436-134436

    • DOI

      10.1103/physrevb.108.134436

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photocurrent Induced by a Bicircular Light Drive in Centrosymmetric Systems2023

    • 著者名/発表者名
      Ikeda Yuya、Kitamura Sota、Morimoto Takahiro
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 131 号: 9 ページ: 096301-096301

    • DOI

      10.1103/physrevlett.131.096301

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Geometric Aspects of Nonlinear and Nonequilibrium Phenomena2023

    • 著者名/発表者名
      Morimoto Takahiro、Kitamura Sota、Nagaosa Naoto
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 92 号: 7 ページ: 072001-072001

    • DOI

      10.7566/jpsj.92.072001

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Bloch-Zener oscillationの散逸効果と幾何学効果2024

    • 著者名/発表者名
      寺田伊吹、北村想太、渡部洋、池田浩章
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Floquet topological superconductivity induced by chiral many-body interactions2024

    • 著者名/発表者名
      Sota Kitamura、Hideo Aoki
    • 学会等名
      Ultrafast Phenomena in Cooperative Systems Gordon Research Conference (GRC)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Floquet topological superconductivity induced by chiral many-body interaction2024

    • 著者名/発表者名
      Sota Kitamura、Hideo Aoki
    • 学会等名
      American Physical Society March meeting 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Versatile magnetic hedgehog lattice phases induced by anisotropic interactions in centrosymmetric systems2024

    • 著者名/発表者名
      Shun Okumura、Satoru Hayami、Yasuyuki Kato、Yukitoshi Motome
    • 学会等名
      International Symposium on Trans-Scale Quantum Science 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Instability of magnetic skyrmion strings induced by longitudinal spin currents2024

    • 著者名/発表者名
      Shun Okumura、Volodymyr Kravchuk、Markus Garst
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 反転対称な系において異方的相互作用がもたらす多彩な磁気ヘッジホッグ格子相とスピンスカラーカイラリティ2024

    • 著者名/発表者名
      奥村駿、速水賢、加藤康之、求幸年
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Magnetic Hedgehog Lattice Phases and Scalar Spin Chirality Induced by Anisotropic Interactions in Centrosymmetric Systems2024

    • 著者名/発表者名
      Shun Okumura、Satoru Hayami、Yasuyuki Kato、Yukitoshi Motome
    • 学会等名
      CEMS Symposium on Emergent Quantum Materials 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Time dependent Gutzwiller simulation of Floquet topological superconductivity2024

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Morimoto
    • 学会等名
      CEMS Symposium on Emergent Quantum Materials 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ランダウ・ゼナートンネリングによる非線形伝導の理論:非対称バンドへの応用2023

    • 著者名/発表者名
      寺田伊吹、北村想太、渡部洋、池田浩章
    • 学会等名
      「アシンメトリ量子」キックオフミーティング
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ランダウ・ゼナートンネリングによる非線形伝導の理論2023

    • 著者名/発表者名
      寺田伊吹、北村想太、渡部洋、池田浩章
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Nonlinear transport via the Landau-Zener tunneling : Simulating the electron dynamics of the two-band insulator coupling to the fermionic reservoir2023

    • 著者名/発表者名
      Ibuki Terada、Sota Kitamura、Hiroshi Watanabe、Hiroaki Ikeda
    • 学会等名
      Physics of Open Systems and Beyond
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 量子マスター方程式における線形伝導の問題とその改良2023

    • 著者名/発表者名
      寺田伊吹、北村想太、渡部洋、池田浩章
    • 学会等名
      第17回物性科学領域横断研究会 凝縮系科学の最前線
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Floquet topological d+id superconductivity in the doped Hubbard model2023

    • 著者名/発表者名
      Sota Kitamura、Hideo Aoki
    • 学会等名
      X International Symposium Ultrafast Dynamics & Ultrafast Bandgap Photonics 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nonreciprocal Landau-Zener Tunneling and Current Response2023

    • 著者名/発表者名
      Sota Kitamura、Naoto Nagaosa、Takahiro Morimoto
    • 学会等名
      International Conference on Strongly Correlated Electron Systems (SCES)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 強相関効果を用いた光誘起トポロジカル超伝導の理論2023

    • 著者名/発表者名
      北村想太、青木秀夫
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Magnetic Hedgehog Lattices in Itinerant Magnets2023

    • 著者名/発表者名
      Shun Okumura、Satoru Hayami、Yasuyuki Kato、Yukitoshi Motome
    • 学会等名
      International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Instability of skyrmion strings induced by longitudinal spin-polarized currents2023

    • 著者名/発表者名
      Shun Okumura、Volodymyr Kravchuk、Markus Garst
    • 学会等名
      Trends in Magnetism 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 3次元磁気構造に現れるディラックの弦とトポロジカル転移2023

    • 著者名/発表者名
      奥村駿
    • 学会等名
      若手研究交流会~物性研究における最近の進展
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] カゴメ格子化合物Coシャンダイトにおけるフロッケエンジニアリング2023

    • 著者名/発表者名
      奥村駿、小沢耀弘、岡隆史
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 3次元トポロジカル磁性金属における電磁気応答とスピンモアレエンジニアリング2023

    • 著者名/発表者名
      奥村駿
    • 学会等名
      東北大学物性コロキウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Helical instability of skyrmion strings induced by longitudinal spin-polarized currents2023

    • 著者名/発表者名
      Shun Okumura、Volodymyr Kravchuk、Markus Garst
    • 学会等名
      International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effects of Q-dependent Anisotropy on Magnetic Hedgehog Lattices in Centrosymmetric Systems2023

    • 著者名/発表者名
      Shun Okumura、Satoru Hayami、Yasuyuki Kato、Yukitoshi Motome
    • 学会等名
      令和5年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Geometrical nonlinear optical effects of magnons in multiferroic materials2023

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Morimoto
    • 学会等名
      Superstripes 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 円偏光誘起トポロジカル超伝導の時間発展シミュレーション2023

    • 著者名/発表者名
      森本高裕
    • 学会等名
      超伝導研究の発展と広がり
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 円偏光誘起トポロジカル超伝導の時間発展シミュレーション2023

    • 著者名/発表者名
      森本高裕
    • 学会等名
      非平衡固体物性の最前線
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [備考] 森本研究室

    • URL

      https://morimoto-lab.t.u-tokyo.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2023-04-18   更新日: 2024-12-25  

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