時間・空間反転およびゲージ対称性の破れを伴う電子液晶相の研究

• 研究領域: 量子液晶の物性科学
• 研究課題/領域番号: 22H04468
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 速水 賢 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (20776546)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 電子液晶相 / 空間反転対称性 / 時間反転対称性 / ゲージ対称性 / 多極子 / 磁気トロイダル四極子 / 電気トロイダル双極子 / スピン流生成 / スピン分裂バンド / 非線形磁化 / 非対角応答 / 反対称熱分極

研究開始時の研究の概要

自発的な回転対称性の破れにより発現する電子液晶相は、磁性・誘電性・超伝導といった多彩な物性の発現や機能に大きく影響を与える。本研究では、従来の自発的な回転対称性の破れに加えて、時間・空間反転、ゲージ、鏡映対称性といった様々な対称性の破れが生じた際に現れる量子伝導現象やマルチフェロイクス応答現象に関する理論形式を構築することである。これを達成することにより、電子液晶相が示す新しい機能物性を開拓する。

研究実績の概要

固体中での電子のミクロな自由度を表現する多極子は、多彩な電子秩序相や物性現象を理解する上での基礎的枠組みを与える。本研究の目的は、こうした多極子自由度の概念を電子液晶に拡張し、さらに電子-ホールペア自由度を表現論に組み込むことで、時間・空間反転およびゲージ対称性の破れた電荷・スピン・電子対液晶相の理論形式をミクロな多極子の立場から構築することである。
本年度は時間・空間反転対称性の破れを伴う電子液晶相のもとでの電子状態や、それらの発現に必要なミクロな要素を調べた。従来の回転対称性のみならず他の対称性 (時間・空間反転、ゲージ、鏡映、回映対称性) が破れた電子液晶相では、電子状態に特徴的なスピン分裂構造が現れるため、特異なスピン伝導やマルチフェロイクス応答が期待できる。
その中でも特に、従来の電子液晶相の時間反転対称性が破れた際に現れる磁気トロイダル四極子秩序相に対する解析を重点的に行った。磁気トロイダル四極子は時間反転奇でランク2の極性テンソル自由度に相当しており、時間反転操作に関するパリティが従来の電子液晶相のものと異なるため、それに起因した物性現象が期待される。その中でも磁気トロイダル四極子秩序下におけるスピン流生成機構に着目して、理論模型の解析を行った。その結果、磁気トロイダル四極子モーメントの活性に伴って、外因的なスピン流生成が可能であることを明らかにした。さらにこれらのスピン流の源が、波数空間における対称スピンバンド分裂であることを示した。この機構は従来のスピン軌道相互作用や一様磁化に頼らない新しいものであるため、次世代のスピントロニクス材料として大いに期待できるものである。また、磁気トロイダル四極子モーメントが現れうる磁気点群を網羅的に調べ、多くの候補物質の提案を行った。

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

当初の計画通り、時間・空間反転対称性をもたない電子液晶相の解析および磁場、電場、およびその複合場を用いた制御方法の理論提案を行えたため。また、多極子と結晶点群の関係性に着目して、多くの候補物質を提案できたことも理由の一つである。

今後の研究の推進方策

2023年度は、2022年度の研究をさらに発展させて推進する予定である。具体的には以下の２つのテーマに関して重点的に取り組む。

(1) 電気トロイダル双極子秩序が示す非対角応答現象：時間反転・空間反転・回転対称性の破れを伴わないが鏡映対称性の破れを伴う電気トロイダル双極子秩序は、新しいタイプの電子液晶相になりうる。これまでに、電気トロイダル双極子秩序がもたらすスピン流生成や反対称熱分極、非線形横磁化応答を明らかにしてきたが、本年度は磁気伝導や非線形電気伝導特性について調べ、より深い知見を得ることを目指す。

(2) ゲージ対称性の破れを伴う電子液晶相の解析：超伝導状態を促すゲージ対称性の破れは、電子-ホールペアの空間により張られる電子自由度により表現されるが、従来の多極子分類論を拡張することで多極子と超伝導秩序変数の対応関係を得ることが可能になる。ここでは、ミクロな電子自由度が果たす役割に着目することで、新しい電子対液晶相の発現可能性を検討し、さらにそれがもたらす物性現象について調べる。

研究成果

• [雑誌論文] Stacking-dependent nonreciprocal transport in magnetic skyrmions (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 巻: 568 ページ: 170420-170420
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2023.170420
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferrochiral, antiferrochiral, and ferrichiral skyrmion crystals in an itinerant honeycomb magnet (2023)
  • 著者名/発表者名: Yambe Ryota、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 号: 1 ページ: 014417-014417
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.014417
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiple-Q instability under fourth-order inplane single-ion anisotropy (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 巻: 570 ページ: 170507-170507
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2023.170507
  • 査読あり
• [雑誌論文] Widely-sweeping magnetic field?temperature phase diagrams for skyrmion-hosting centrosymmetric tetragonal magnets (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Kato Yasuyuki
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 巻: 571 ページ: 170547-170547
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2023.170547
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cluster Toroidal Multipoles Formed by Electric-Quadrupole and Magnetic-Octupole Trimers: A Possible Scenario for Hidden Orders in Ca5Ir3O12 (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Tsutsui Satoshi、Hanate Hiroki、Nagasawa Nobumoto、Yoda Yoshitaka、Matsuhira Kazuyuki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 号: 3 ページ: 033702-033702
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.033702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonlinear Transverse Magnetic Susceptibility under Electric Toroidal Dipole Ordering (2023)
  • 著者名/発表者名: Inda Akane、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 号: 4 ページ: 043702-043702
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.043701
  • 査読あり
• [雑誌論文] ミクロな多極子による電子物性の表現論 (その9) (2023)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢，大岩 陸人, 八城 愛美，柳 有起，楠瀬 博明
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 58(1) ページ: 11-30
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analysis of model-parameter dependences on the second-order nonlinear conductivity in PT-symmetric collinear antiferromagnetic metals with magnetic toroidal moment (2022)
  • 著者名/発表者名: Yatsushiro Megumi、Oiwa Rikuto、Kusunose Hiroaki、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 15 ページ: 155157-155157
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.155157
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin Conductivity Based on Magnetic Toroidal Quadrupole Hidden in Antiferromagnets (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Yatsushiro Megumi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 号: 6 ページ: 063702-063702
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.063702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multifarious skyrmion phases on a trilayer triangular lattice (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 18 ページ: 184426-184426
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.184426
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rectangular and square skyrmion crystals on a centrosymmetric square lattice with easy-axis anisotropy (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 17 ページ: 174437-174437
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.174437
  • 査読あり
• [雑誌論文] Antisymmetric thermopolarization by electric toroidicity (2022)
  • 著者名/発表者名: Nasu Joji、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 24 ページ: 245125-245125
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.245125
  • 査読あり
• [雑誌論文] Skyrmion crystal with integer and fractional skyrmion numbers in a nonsymmorphic lattice structure with the screw axis (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 22 ページ: 224411-224411
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.224411
  • 査読あり
• [雑誌論文] Skyrmion crystal under D3h point group: Role of out-of-plane Dzyaloshinskii-Moriya interaction (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Yambe Ryota
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 号: 22 ページ: 224423-224423
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.224423
  • 査読あり
• [雑誌論文] Square skyrmion crystal in centrosymmetric systems with locally inversion-asymmetric layers (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 34 号: 36 ページ: 365802-365802
  • DOI: 10.1088/1361-648x/ac7bcb
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonlinear spin Hall effect in PT-symmetric collinear magnets (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Yatsushiro Megumi、Kusunose Hiroaki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 号: 2 ページ: 024405-024405
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.024405
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonlinear nonreciprocal transport in antiferromagnets free from spin-orbit coupling (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Yatsushiro Megumi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 号: 1 ページ: 014420-014420
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.014420
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stability of Skyrmion Crystal Phase in Centrosymmetric Distorted Triangular-Lattice Antiferromagnets (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 号: 9 ページ: 093701-093701
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.093701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic Hedgehog Lattice in a Centrosymmetric Cubic Metal (2022)
  • 著者名/発表者名: Okumura Shun、Hayami Satoru、Kato Yasuyuki、Motome Yukitoshi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 号: 9 ページ: 093702-093702
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.093702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonreciprocal Transport in Noncoplanar Magnetic Systems without Spin-Orbit Coupling, Net Scalar Chirality, or Magnetization (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Yatsushiro Megumi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 号: 9 ページ: 094704-094704
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.094704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mean-Field Study of Antiferromagnetic and Antiferroquadrupolar Orderings in Tetragonal CeCoSi (2022)
  • 著者名/発表者名: Yatsushiro Megumi、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 号: 10 ページ: 104701-104701
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.104701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Engineering a Skyrmion Crystal in Ferromagnetic/Antiferromagnetic Bilayers Based on Magnetic Frustration Mechanism (2022)
  • 著者名/発表者名: Okigami Kazuki、Yambe Ryota、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 号: 10 ページ: 103701-103701
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.103701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferroaxial moment induced by vortex spin texture (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 号: 14 ページ: 144402-144402
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.144402
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electric Ferro-Axial Moment as Nanometric Rotator and Source of Longitudinal Spin Current (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Oiwa Rikuto、Kusunose Hiroaki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 号: 11 ページ: 113702-113702
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.113702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Skyrmion and vortex crystals in the Hubbard model (2022)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Kaito、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 号: 14
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.l140406
  • 査読あり
• [雑誌論文] Zero-field skyrmion, meron, and vortex crystals in centrosymmetric hexagonal magnets (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 巻: 564 ページ: 170036-170036
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2022.170036
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic Toroidal Moment under Partial Magnetic Order in Hexagonal Zigzag-Chain Compound Ce3TiBi5 (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Kusunose Hiroaki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 号: 12 ページ: 123701-123701
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.123701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effective spin model in momentum space: Toward a systematic understanding of multiple-Q instability by momentum-resolved anisotropic exchange interactions (2022)
  • 著者名/発表者名: Yambe Ryota、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 号: 17 ページ: 174437-174437
  • DOI: 10.1103/physrevb.106.174437
  • 査読あり
• [雑誌論文] Orthorhombic distortion and rectangular skyrmion crystal in a centrosymmetric tetragonal host (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Journal of Physics: Materials 巻: 6 号: 1 ページ: 014006-014006
  • DOI: 10.1088/2515-7639/acab89
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generalization of microscopic multipoles and cross-correlated phenomena by their orderings (2022)
  • 著者名/発表者名: Kusunose Hiroaki、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 34 号: 46 ページ: 464002-464002
  • DOI: 10.1088/1361-648x/ac9209
  • 査読あり
• [雑誌論文] 磁場方向に敏感なナノスケール磁気スキルミオン結晶の安定化機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢，山家 椋太
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 57(4) ページ: 281-291
  • 査読あり
• [学会発表] Chiral magnetic textures in itinerant magnets (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Hayami
  • 学会等名: APS March Meeting 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Skyrmion and vortex crystals in the Hubbard model (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Kobayashi and S. Hayami
  • 学会等名: APS March Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Microscopic mechanism for intrinsic nonlinear Hall conductivity in noncollinear antiferromagnetic metals (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Kirikoshi and S. Hayami
  • 学会等名: APS March Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Engineering a Skyrmion Crystal in Ferromagnetic/Antiferromagnetic Bilayers Based on the Magnetic Frustration Mechanism (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Okigami, R. Yambe, and S. Hayami
  • 学会等名: APS March Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Multi-step topological phase transitions among meron/antimeron and skyrmion crystals in a centrosymmetric magnet (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Yoshimochi, R. Takagi, J. Ju, N. D. Khanh, H. Saito, H. Sagayama, H. Nakao, S. Itoh, Y. Tokura, T.-h. Arima, S. Hayami, T. Nakajima, and S. Seki
  • 学会等名: APS March Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] らせん磁性とらせん構造 (2023)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会 シンポジウム講演
  • 招待講演
• [学会発表] 反転対称性を有する遍歴磁性体EuAl4における磁気異方性の制御とスキルミオン相の安定性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高木里奈，河野秀城，齋藤開，Jonathan White，Victor Ukleev, 速水賢，中島多朗，関真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] フェリ/反強磁気トロイダル候補金属HoAgGeの磁場中における非線形横伝導率測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 市野祐喜，宮本大輝，小路山竜平，細井優，下澤雅明，井澤公一，八城愛美，速水賢，大貫惇睦，青木大
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 電気トロイダル双極子秩序相における非線形横磁化率 (2023)
  • 著者名/発表者名: 印田朱音，速水賢
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 対称性に基づくレーザー誘起磁気異方性の研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山家椋太，速水賢
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] ミクロな多極子からみたカイラリティ自由度 (2022)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢
  • 学会等名: ISSPワークショップ「カイラル物質科学の新展開」
  • 招待講演
• [学会発表] ミクロな多極子から観た強軸性モーメント (2022)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢
  • 学会等名: 第１回アシンメトリ量子研究会
• [学会発表] 時間・空間反転およびゲージ対称性の破れを伴う電子液晶相の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢
  • 学会等名: 新学術（量子液晶）第2期公募研究キックオフミーティング
• [学会発表] PT対称なノンコリニア反強磁性金属における内因性非線形ホール効果 (2022)
  • 著者名/発表者名: 桐越研光, 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] ハバード模型におけるスキルミオン相とメロン・アンチメロン相 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林海翔, 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 複数のスキルミオン相を生じる空間反転対称な正方晶物質GdRu2(Si1-xGex)2における磁気相図の全貌の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉持遥人, 高木里奈, 周芝苑, 速水賢, Nguyen Duy Khanh, Seno Aji, 齋藤開, Deepak Singh, Priya Baral, Leonie Spitz, Victor Ukleev, Jonathan White, Sonia Francoual, Jose R. L. Mardegan, 佐賀山基, 中尾裕則, 有馬孝尚, 十倉好紀, 中島多朗, 関真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] 新規トロイダル金属HoAgGeの非線形横伝導率測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮本大輝, 高尾祥平, 多田勝哉, 小路山竜平, 細井優, 下澤雅明, 井澤公一, 八城美愛, 速水賢, 大貫惇睦, 青木大
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: http://phys.sci.hokudai.ac.jp/~hayami/index.html