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トポロジカルスピン液晶に由来した創発的光機能性の探索

公募研究

研究領域量子液晶の物性科学
研究課題/領域番号 22H04470
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
研究機関東京大学

研究代表者

岡村 嘉大  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (20804735)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
2023年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2022年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
キーワードスキルミオン / 磁気光学効果
研究開始時の研究の概要

初年度においては、スキルミオン由来の(線形)磁気光学ファラデー・カー効果の探索を行う。ここでは測定を行うだけでなく、より広帯域での分光測定を行うため遠赤外領域の磁気光学測定の立ち上げも行う予定である。次年度においては、非線形領域への拡張を目指す。すなわち、スキルミオン由来の磁気光学効果を観測した光学遷移において第二次高調波発生の観測を目指す。

研究実績の概要

本研究では、量子液晶特有の光機能性を探索すべく、量子スピン液晶である磁気スキルミオンに注目した。スキルミオンはスピンが渦状に配列し、それぞれのスピンが球面の立体角を張るというトポロジカルなスピン配列をしている磁気構造体である。この特殊なスピン配列を反映して、電子は巨大な実効磁場(創発磁場)を感じることになるため、スキルミオンは特異な電磁気応答を示す。例えば、スキルミオン形成に伴い、ホール効果は急峻に増大するような振る舞いを見せる(トポロジカルホール効果)。本研究ではこのアナロジーとして、固体中の創発磁場によって光学応答も増大するのではないかという作業仮説のもと、巨大効果の実現を目指してきた。
様々な光学応答の中でも、最も力を入れたのが、磁気光学応答である。この効果の大きさは磁場や磁化に比例するため、創発磁場によっても増強されるものと期待できる。実際に、前年度はスキルミオン物質のGd2PdSi3において広帯域の磁気光学分光を行ったところ、特定の光学領域において磁気光学効果の大きさがスキルミオンの形成によって数倍にも増強されることを明らかにしている。今年度はさらなる拡張として、絶縁体GaV4Se8においても同様にトポロジカル磁気光学効果が発現するかを検証した。Gd2PdSi3と同様に広帯域のスペクトルを丹念に測定したところ、バンドギャップ近傍において、確かにトポロジカル磁気光学効果が発現していることがわかり、伝導電子の有無にかかわらず普遍的なものであることを証明した。また、GaV4Se8ではスキルミオンの大きさがGd2PdSi3の場合よりも10倍程度であるにも関わらず、効果の大きさは同等であった。現在は理論的な解釈を進めているところである。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 4件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Terahertz field driven giant nonlinear phonon response in ferroelectric semiconductor In-doped (Sn,Pb)Te2024

    • 著者名/発表者名
      Handa H.、Okamura Y.、Yoshimi R.、Tsukazaki A.、Takahashi K. S.、Tokura Y.、Takahashi Y.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 109 号: 8 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1103/physrevb.109.l081102

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Topological magneto-optical effect from skyrmion lattice2023

    • 著者名/発表者名
      Kato Yoshihiro D.、Okamura Yoshihiro、Hirschberger Max、Tokura Yoshinori、Takahashi Youtarou
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 号: 1 ページ: 1-7

    • DOI

      10.1038/s41467-023-41203-y

    • 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] Terahertz lattice and charge dynamics in ferroelectric semiconductor SnxPb1-xTe2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Okamura, H. Handa, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, K. S. Takahashi, M. Kawasaki, Y. Tokura & Y. Takahashi
    • 雑誌名

      npj Quantum Materials

      巻: 7 号: 1 ページ: 1-7

    • DOI

      10.1038/s41535-022-00501-2

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Photovoltaic effect by soft phonon excitation2022

    • 著者名/発表者名
      Okamura Yoshihiro、Morimoto Takahiro、Ogawa Naoki、Kaneko Yoshio、Guo Guang-Yu、Nakamura Masao、Kawasaki Masashi、Nagaosa Naoto、Tokura Yoshinori、Takahashi Youtarou
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 119 号: 14 ページ: 2122313119-2122313119

    • DOI

      10.1073/pnas.2122313119

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Topological magneto-optical effect induced by skyrmion formation in Gd2PdSi32023

    • 著者名/発表者名
      Kato Yoshihiro D.、Okamura Yoshihiro、Hirschberger Max、Tokura Yoshinori、Takahashi Youtarou
    • 学会等名
      Low-Energy Electrodynamics in Solids 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topological magneto-optical effect from skyrmion lattice2023

    • 著者名/発表者名
      Okamura Yoshihiro、Kato Yoshihiro D.、Hirschberger Max、Tokura Yoshinori、Takahashi Youtarou
    • 学会等名
      International symposium on quantum electronics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Photovoltaic effect by soft phonon excitation in ferroelectric BaTiO32023

    • 著者名/発表者名
      岡村嘉大、森本高裕、小川直毅、金子良夫、グアンユーグオ、中村優男、川﨑雅司、永長直人、十倉好紀、高橋陽太郎
    • 学会等名
      APS March meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 強誘電体BaTiO3におけるソフトフォノン誘起の光起電力効果2022

    • 著者名/発表者名
      岡村嘉大、森本高裕、小川直毅、金子良夫、グアンユーグオ、中村優男、川﨑雅司、永長直人、十倉好紀、高橋陽太郎
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Magneto-optical spectroscopy on Weyl nodes for anomalous and topological Hall effects in chiral-lattice magnet MnGe2022

    • 著者名/発表者名
      岡村嘉大
    • 学会等名
      LT29
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] カイラル反強磁性体CoNb3S6の異常ホール効果の磁気光学分光2022

    • 著者名/発表者名
      岡村嘉大
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] スキルミオンによるトポロジカル磁気光学効果の観測に成功 ―スキルミオンメモリの高速光読み取りに道筋―

    • URL

      https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2023-09-07-001

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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