拡張多極子による交差相関物性・量子伝導の系統的理解と機能物質探索への展開

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H01037
• 配分区分: 補助金
• 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): 2021-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 多極子 / 奇パリティ多極子 / 交差相関応答 / 量子伝導 / 非相反マグノン / 磁気トロイダルモーメント / 異常ホール効果 / 磁気点群

研究実績の概要

物性物理における多彩な機能物性の発現は、系のマクロな対称性により予測されるが、より高機能・高効率な物質設計へとつなげていくためには、それらの発現に本質的なミクロな電子自由度の役割を理解する必要がある。本研究の目的は、結晶中における電子自由度を統一的に表現できる “拡張多極子”を用いることで、従来の群論による「マクロな対称性⇔物性」の枠組みを超えて「ミクロな電子自由度⇔物性」という電子自由度に立脚した新しい理論形式を構築することである。特に本年度は、対称性の観点から、交差相関応答・量子伝導を特徴づける応答テンソルと多極子の関係性についての研究を重点的に行った。また、磁気トロイダル双極子や磁気四極子などの奇パリティ多極子がもたらす物性現象の解析を行った。以下に本年度に得られた主な研究成果を示す。
(1) 122種類の磁気点群に対する多極子の系統的分類と応答テンソルとの関係性の理解、(2) スピン軌道結合物質Ca5Ir3O12に対する電気トロイダル双極子秩序の提案、(3) 異常ホール効果の微視的役割を担う異方的磁気双極子の定式化、(4) 磁気四極子秩序下におけるスピン-軌道-運動量ロッキングの発見、(5) 空間反転対称性のない磁性絶縁体における非相反マグノンと磁気トロイダル双極子自由度の関係性の理解、(6) 多重Q磁気構造とスピン分裂バンドの関係性の定式化、(7) 反転対称な系における磁気スキルミオン結晶の発現とそれらが示す反対称スピン分裂・電気磁気効果の理解、(8) 反転対称な正方格子スピン模型において発現する高いトポロジカル数をもつ磁気スキルミオン結晶の発見、(9) 局所的な反転対称性の破れに由来して発現する磁気スキルミオン結晶の安定化機構の理解、(10) 非相反マグノンの発現に重要な模型パラメタ抽出方法の定式化。(11) 位相自由度を用いた新しいトポロジカル磁性状態の開拓。

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

当初の研究計画の通り、対称性の観点から全ての磁気点群に対する多極子自由度と応答テンソルの関係性を網羅的に理解できたため。特に従来はあまり考慮されてこなかった磁気トロイダル多極子や電気トロイダル多極子が交差相関応答や量子伝導にどのように関与するかを群論および微視的な(非)線形応答理論に基づいて明らかにした。また得られた結果をもとにして模型解析を進めることにより、磁気トロイダル双極子自由度と非相反マグノンの関係性、磁気四極子自由度とバンド構造におけるスピン-軌道-運動量ロッキングの関係性、異方的磁気双極子自由度と異常ホール効果の関係性を新しく見出した。それに加えて、それらの発現に重要な微視的な模型パラメタを明らかにできたことも理由の一つである。

今後の研究の推進方策

2022年度は、2021年度の研究を引き続き行いつつ、以下の点を推進する予定である。

(1) 磁気トロイダル多極子がもたらす物性の開拓：多極子と応答テンソルの関係性を整理したことにより、磁性体のもとで発現する応答現象が系統的に明らかになりつつある。ここでは磁気トロイダル双極子秩序下における非相反伝導、磁気トロイダル四極子秩序下におけるスピン流生成に着目した理論解析を行うことで、反強磁性体における新しい機能物性を開拓する。

(2) 電気トロイダル双極子がもたらす新規非対角応答現象の開拓：時間・空間反転対称性の破れを伴わない電気トロイダル双極子は、これらの破れを伴う磁気双極子や電気双極子とは異なる自由度であるため、従来の物性現象とは異なる新規現象を示す可能性がある。微視的な模型計算を通じて新しい現象を示すとともに、それらの発現に重要な電子自由度を明らかにする。

研究成果

• [雑誌論文] Essential model parameters for nonreciprocal magnons in multisublattice systems (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Matsumoto Takuya
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 014404
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.014404
  • 査読あり
• [雑誌論文] Skyrmion crystal and spiral phases in centrosymmetric bilayer magnets with staggered Dzyaloshinskii-Moriya interaction (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 014408
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.014408
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanism of antisymmetric spin polarization in centrosymmetric multiple-Q magnets based on effective chiral bilinear and biquadratic spin cross products (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 024413
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.024413
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiple Skyrmion Crystal Phases by Itinerant Frustration in Centrosymmetric Tetragonal Magnets (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 ページ: 023705
  • DOI: 10.7566/JPSJ.91.023705
  • 査読あり
• [雑誌論文] Zoology of Multiple‐Q Spin Textures in a Centrosymmetric Tetragonal Magnet with Itinerant Electrons (2022)
  • 著者名/発表者名: Khanh Nguyen Duy、Nakajima Taro、Hayami Satoru、Gao Shang、Yamasaki Yuichi、Sagayama Hajime、Nakao Hironori、Takagi Rina、Motome Yukitoshi、Tokura Yoshinori、Arima Taka‐hisa、Seki Shinichiro
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 9 ページ: 2105452
  • DOI: 10.1002/advs.202105452
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Skyrmion crystals in centrosymmetric triangular magnets under hexagonal and trigonal single-ion anisotropy (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 巻: 553 ページ: 169220
  • DOI: 10.1016/j.jmmm.2022.169220
  • 査読あり
• [雑誌論文] Helicity locking of a square skyrmion crystal in a centrosymmetric lattice system without vertical mirror symmetry (2022)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Yambe Ryota
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 104428
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.104428
  • 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8) (2022)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢，八城 愛美，柳 有起，楠瀬 博明
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 57(3) ページ: 181-201
  • 査読あり
• [雑誌論文] First Observation of Superlattice Reflections in the Hidden Order at 105 K of Spin-Orbit Coupled Iridium Oxide Ca5Ir3O12 (2021)
  • 著者名/発表者名: Hanate Hiroki、Hasegawa Takumi、Hayami Satoru、Tsutsui Satoshi、Kawano Shoya、Matsuhira Kazuyuki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 063702
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.063702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Essential role of the anisotropic magnetic dipole in the anomalous Hall effect (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Kusunose Hiroaki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 ページ: L180407
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.L180407
  • 査読あり
• [雑誌論文] Skyrmion crystals in centrosymmetric itinerant magnets without horizontal mirror plane (2021)
  • 著者名/発表者名: Yambe Ryota、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 ページ: 11184
  • DOI: 10.1038/s41598-021-90308-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Field-Direction Sensitive Skyrmion Crystals in Cubic Chiral Systems: Implication to 4f-Electron Compound EuPtSi (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Yambe Ryota
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 90 ページ: 073705
  • DOI: 10.7566/JPSJ.90.073705
  • 査読あり
• [雑誌論文] In-plane magnetic field-induced skyrmion crystal in frustrated magnets with easy-plane anisotropy (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 103 ページ: 224418
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.103.224418
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-orbital-momentum locking under odd-parity magnetic quadrupole ordering (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Kusunose Hiroaki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 045117
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.045117
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multipole classification in 122 magnetic point groups for unified understanding of multiferroic responses and transport phenomena (2021)
  • 著者名/発表者名: Yatsushiro Megumi、Kusunose Hiroaki、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 054412
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.054412
  • 査読あり
• [雑誌論文] Meron-antimeron crystals in noncentrosymmetric itinerant magnets on a triangular lattice (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Yambe Ryota
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 094425
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.094425
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge density waves in multiple-Q spin states (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Motome Yukitoshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 144404
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.144404
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonreciprocal magnon excitations by the Dzyaloshinskii-Moriya interaction on the basis of bond magnetic toroidal multipoles (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Takuya、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 134420
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.134420
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature-driven transition from skyrmion to bubble crystals in centrosymmetric itinerant magnets (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 23 ページ: 113032
  • DOI: 10.1088/1367-2630/ac3683
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Phase shift in skyrmion crystals (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Okubo Tsuyoshi、Motome Yukitoshi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 6927
  • DOI: 10.1038/s41467-021-27083-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Locking of skyrmion cores on a centrosymmetric discrete lattice: Onsite versus offsite (2021)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Yambe Ryota
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 ページ: 043158
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.043158
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spin excitation spectra in helimagnetic states: Proper-screw, cycloid, vortex-crystal, and hedgehog lattices (2021)
  • 著者名/発表者名: Kato Yasuyuki、Hayami Satoru、Motome Yukitoshi
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 224405
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.104.224405
  • 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5) (2021)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢，八城 愛美，柳 有起，楠瀬 博明
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 56(4) ページ: 171~188
  • 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6) (2021)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢，八城 愛美，柳 有起，楠瀬 博明
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 56(7) ページ: 333~353
  • 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7) (2021)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢，八城 愛美，柳 有起，楠瀬 博明
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 56(10) ページ: 507~531
  • 査読あり
• [学会発表] Skyrmion crystals in centrosymmetric magnets (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Hayami
  • 学会等名: Young Leaders Workshop: Emerging Quantum Spintronics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] スキルミオン結晶における位相シフト (2022)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢, 大久保 毅, 求 幸年
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] ハニカム格子遍歴磁性体において発現する反強カイラルおよびフェリカイラルなスキルミオン結晶 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山家 椋太, 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] 強磁性-反強磁性2層系におけるスキルミオン結晶 (2022)
  • 著者名/発表者名: 沖上 和希, 山家 椋太, 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] CeCoSiにおける多極子秩序の平均場計算 (2022)
  • 著者名/発表者名: 八城 愛美, 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Bottom-up design of momentum-dependent spin-split band structures in spin-orbit-coupling free antiferromagnets (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Hayami
  • 学会等名: New Trends in Quantum Condensed Matter Theory 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Classification of atomic-scale multipoles under magnetic point groups and application to multiferroic phenomena (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Hayami
  • 学会等名: The 12th APCTP Workshop on Multiferroics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mechanisms of square and triangular skyrmion crystals (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Hayami
  • 学会等名: International Conference on Frustration, Topology, and Spin Textures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Visualization of Magnetic Structures without Spin Sensitivity in the Skyrmion Magnet GdRu2Si2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuuki Yasui, Christopher Butler, Khanh Nguyen, Satoru Hayami, Takuya Nomoto, Tetsuo Hanaguri, Yukitoshi Motome, Ryotaro Arita, Taka-hisa Arima, Yoshinori Tokura, and Shinichiro Seki
  • 学会等名: The 9th International Symposium on Surface Science
  • 国際学会
• [学会発表] 短周期スキルミオン物質EuPtSiに対する有効スピン模型を用いた解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢, 山家 椋太
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] Multiple-Q spin textures in tetragonal itinerant magnet GdRu2Si2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Nguyen D. Khanh, T. Nakajima, S. Hayami, S. Gao, Y. Yamasaki, H. Sagayama, H. Nakao, R. Takagi, Y. Motome, Y. Tokura, T. Arima, S. Seki
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] フラストレート遍歴磁性体における多重スキルミオン結晶相 (2021)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 空間反転対称な系における多重Q磁気構造の螺旋面と楕円率の磁場依存性 (2021)
  • 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2021年秋季大会
• [学会発表] 三角格子フラストレート磁性体においてボンド型異方的交換相互作用が誘起するネール・ブロッホスキルミオン結晶 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松本 拓哉, 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 電気トロイダル多極子による反対称熱分極 (2021)
  • 著者名/発表者名: 那須 譲治, 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 群論に基づいた波数依存性をもつ磁気異方性の分類と遍歴磁性体スキルミオン結晶への適用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山家 椋太, 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会2021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