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2019 年度 実施状況報告書

分子配列構造に内在するスピントロニクス機能の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 19K03723
研究機関早稲田大学

研究代表者

中 惇  早稲田大学, 高等研究所, 講師(任期付) (60708527)

研究分担者 妹尾 仁嗣  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (30415054)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード分子性導体 / 電子相関 / スピン流 / スピントロニクス
研究実績の概要

本研究では、分子性導体の分子配向と電子相関効果の双方に立脚し、スピン軌道結合を必要としない新しいスピン流生成現象を探索を目的として以下の研究を行った。1) κ型分子性導体の特徴的な分子配向と分子配列構造を取り入れたハバード型モデルおよびその強結合有効ハイゼンベルグモデルを構築し、これらのモデルを平均場理論とスピン波理論を用いて解析することで、単純な反強磁性ネール状態においても電子やマグノンのエネルギーバンドにスピンに依存した非自明な分裂が生じることを見出した。さらに摂動展開を用いた理論解析により、スピン分裂の起源がスピンの方向に依存し、かつ分子配向を反映した異方的な電子遷移積分にあることを明らかにした。これは従来のスピン軌道結合とは異なり、電子相関と物質構造から創発する新しいタイプの"スピン軌道結合"とみなすことができる。2) 1)で見出したスピン分裂を伴う反強磁性相において、スピン流の外場応答を線形応答理論を用いて解析した。その結果、反強磁性絶縁体状態においては温度勾配を印加することで、マグノンによる純粋スピン流が生成されることを見出した。また、この相にキャリアドープした反強磁性金属相では、電場によるスピン流生成が可能であることを明らかにした。これらのスピン流生成現象は、異なるスピンを持つ電子やマグノンが、異方的な遷移積分によって互いに逆方向に整流されることで生じる。また、スピン流生成を特徴づける伝導度テンソルは対称テンソルで表され、その結果特徴的な外場角度依存性を示す。これは反対称テンソルで表されるスピンホール効果やスピンネルンスト効果とは本質的に異なる現象であることを示している。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

初年度に計画していたκ型分子性導体におけるエネルギーバンドのスピン分裂の微視的起源の解明だけでなく、電場や温度勾配を用いた新しいスピン流生成現象を理論的に予言・提案することに成功した。また、得られた成果はNature Communications誌に掲載され、同誌のEditors' Highlightsにも選出された。これは当初の計画以上に進展していると評価できる。

今後の研究の推進方策

今後は、この特徴的なスピン分裂の発現条件をより幅広い系に一般化し、有機導体だけでなく無機化合物も対象とした新しいスピン流生成現象の探索・提案を行うと共に、従来の原子由来のスピン軌道結合との競合・協力効果の解明を行う。また、軌道や電荷などスピン以外の自由度の長距離秩序と分子配向の結合による新しい輸送現象の探索も視野に入れる。

次年度使用額が生じた理由

コロナウイルス感染拡大の影響により、一部の出張計画をweb上のミーティングに変更したため。差額分は次年度の短距離の国内旅費に使用する予定。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Multipole Description of Emergent Spin?Orbit Interaction in Organic Antiferromagnet \(\kappa \)-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Cl2020

    • 著者名/発表者名
      Hayami Satoru、Yanagi Yuki、Naka Makoto、Seo Hitoshi、Motome Yukitoshi、Kusunose Hiroaki
    • 雑誌名

      JPS Conf. Proc.

      巻: 30 ページ: 011149-1-10

    • DOI

      https://doi.org/10.7566/JPSCP.30.011149

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 有機分子がつくるスピン流2020

    • 著者名/発表者名
      中惇
    • 雑誌名

      現代化学

      巻: 558 ページ: 42-46

  • [雑誌論文] 有機化合物を用いたスピン流生成理論2020

    • 著者名/発表者名
      中惇
    • 雑誌名

      クリーンエネルギー

      巻: 29 ページ: 10-15

  • [雑誌論文] Spin current generation in organic antiferromagnets2019

    • 著者名/発表者名
      Naka Makoto、Hayami Satoru、Kusunose Hiroaki、Yanagi Yuki、Motome Yukitoshi、Seo Hitoshi
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 10 ページ: 4305-1-8

    • DOI

      https://doi.org/10.1038/s41467-019-12229-y

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 分子性導体における異常ホール効果2020

    • 著者名/発表者名
      中惇
    • 学会等名
      第9回凝縮系理論の最前線
    • 招待講演
  • [学会発表] ペロブスカイト酸化物におけるスピン分裂とスピン流生成2020

    • 著者名/発表者名
      中惇, 求幸年, 妹尾仁嗣
    • 学会等名
      日本物理学会2020年春季大会
  • [学会発表] 有機反強磁性体におけるスピン流生成,2019

    • 著者名/発表者名
      中惇
    • 学会等名
      第十二回凝縮系理論勉強会
    • 招待講演
  • [学会発表] Organic antiferromagnet as a spin current generator2019

    • 著者名/発表者名
      2.M. Naka, S. Hayami, H. Kusunose, Y. Yanagi, Y. Motome, and H. Seo
    • 学会等名
      FCES19 - International Conference on Frontiers of Correlated Electron Sciences
    • 国際学会
  • [学会発表] Organic antiferromagnet as a spin current generator2019

    • 著者名/発表者名
      1.M. Naka, S. Hayami, H. Kusunose, Y. Yanagi, Y. Motome, and H. Seo
    • 学会等名
      International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] κ型分子性導体におけるスピン分裂の数値的検証2019

    • 著者名/発表者名
      妹尾仁嗣, 中惇
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
  • [学会発表] κ型分子性導体における異常ホール効果2019

    • 著者名/発表者名
      中惇, 速水賢, 楠瀬博明, 柳有起, 求幸年, 妹尾仁嗣
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会

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公開日: 2021-01-27  

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