| 研究課題/領域番号 |
17K14316
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| 研究機関 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 |
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研究代表者 |
荒木 康史 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 任期付研究員 (10757131)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | トポロジカル絶縁体 / ワイル半金属 / 磁気構造 / 磁壁 / スピントロニクス |
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| 研究実績の概要 |
2018年度はトポロジカル半金属における磁気構造と電子の相互作用について、2点の研究成果が得られた。また新たに、格子構造が電子輸送に与える効果についても研究を行った。以上3点の研究成果に関して、以下に概要を述べる。
①ワイル半金属における磁壁構造と電荷分布 － 研究代表者の以前の研究により、ワイル半金属中に磁壁が存在する場合、その磁壁は帯電する可能性が指摘された。本研究ではこの提言をより広範な磁壁構造に拡張するため、いくつかの典型的な磁壁構造の下での電荷を数値計算により導出した。その結果、いずれの磁壁構造においてもゲート電圧に依存した電荷が局在することが確認された。この電荷は、磁壁を電場により動かすために有用であると期待される。
②ワイル半金属における磁気構造ダイナミクスによる電流駆動 － 前項で得られた磁壁に関する知見を、より一般的な磁気構造（スキルミオン：渦構造を持つ磁気構造、等）に拡張するため、空間的に非一様な磁化の下でのワイル電子の輸送を巨視的に取り扱った。ワイル半金属では磁化と電子の結合が仮想的な電磁場として扱えることを利用して、その電磁場の下で誘起される電流を導出した。その結果、一般的に磁気構造のダイナミクスに沿って電流パルスが誘起されることが示された。この電流は前項の局在電荷に対応するものであり、磁気構造の電気的検出手法として期待される。
③トポロジカル・ディラック半金属における格子捻りによるスピン流生成 － Cd3As2やNa3Bi等のトポロジカル・ディラック半金属は、電子スピンを保存するため、スピン流を流すプラットフォームとして理想的である。本研究ではこの物質に格子歪みを加えることで、交流電場から直流のスピン流を生成できることを理論的に示した。この効果は今後スピントロニクスでスピン流を用いるにあたり、スピン流の生成源として新たな手法を与えるものである。
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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
研究成果①ではワイル半金属中の磁壁に注目し、数値計算で電子状態を逐一導出することにより、様々な磁壁構造の性質について知見を得ることができた。そのうえで、②では仮想的な電磁場の描像を用いることにより、磁壁だけでなく磁気渦やスキルミオン等、あらゆる磁気構造のダイナミクスについて適用できる理論を構築した。これにより、磁気構造のダイナミクスによって誘起される電流が体系化され、ワイル半金属で磁気構造を検出する際の提言を行うことができた。さらに、③では従来の磁気構造だけでなく、格子歪み構造の効果へも視野を広げた研究を行った。
以上の研究により、研究目的に概ね合致した研究成果が得られたと考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの研究により、トポロジカル半金属のうち特にワイル半金属については、磁壁やスキルミオン等の磁気構造について様々な性質がわかり、磁気構造の電気的操作・検出に有用な知見が得られてきた。これらの研究では電子スピンと運動量の相関に着目し、簡略化されたモデルでの解析を行ってきた。一方、直近の理論・実験研究により磁性ワイル半金属の候補物質となるCo3Sn2S2が発見されており、この物質におけるスピン-軌道相互作用は簡略化されたモデルとは異なる形を持つことが指摘されている。この物質は強磁性体として振舞い、特に輸送特性に関して実験が進められている。
以上の背景を踏まえ、今後の研究ではこれまで得られた知見を、実際の磁性ワイル半金属 Co3Sn2S2 に拡張して適用することを目指す。すなわち、この物質が非一様な磁気構造を持つ際に、電子および電流が示す特徴的な振舞いを理論的に探索し、今後の実験に手がかりを示すことを目指す。具体的には、磁気構造に対応する仮想的な電磁場の表式を対象物質のモデルの下で改めて導出し、これまでの研究成果によって得られた理論に適用し、磁気構造によって誘起される電荷・電流を明らかにする。さらに、磁気秩序の揺らぎが波動として伝搬するスピン波、いわゆるマグノンの性質にも着目し、マグノンによるスピン輸送について評価する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究代表者は2018年12月に日本原子力研究開発機構に任期付研究員として異動したため、研究及び業務内容に変更が生じた。また、直近の研究により磁性を持つワイル半金属の新物質が提案されたため、その物質に則した理論を構築することが必要となった。以上の理由により、補助事業期間の延長を行い、2019年度に助成金の一部を繰り越す必要性が生じた。
2019年度は、対象として磁性ワイル半金属の新物質であるCo3Sn2S2を対象とし、この物質上の磁気構造の性質を扱う。結晶構造に則した計算を行うため、解析に必要となるソフトウェアを購入する。研究成果は論文として発表し、国内外の学会・会議にて発表する予定である。
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| 備考 |
リサーチマップの個人ページ：
https://researchmap.jp/7000012658/
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