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

2022 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 / 非相反伝導 / 磁気トロイダルモーメント / フェロアキシャルモーメント / 非線形スピンホール効果

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。本年度においては、新しい多極子自由度である電気トロイダル多極子や磁気トロイダル多極子を伴う秩序状態の発現によって現れる交差相関応答および量子伝導に関する知見を得ることを目指した。具体的な研究成果を以下に示す。
(1) 磁気トロイダル双極子秩序下における非線形・非相反伝導の理論、(2) 磁気トロイダル四極子を伴う反強磁性体におけるスピン流生成機構の発見、(3) 電気トロイダル双極子秩序下における反対称熱分極の理論、(4) PT対称な反強磁性体における非線形スピンホール効果の定式化、(5) スピン軌道相互作用に頼らない非相反伝導機構の発見、(6) 多極子秩序候補物質CeCoSiに対する平均場計算を用いた有限温度-磁場相図の作成、(7) フェロアキシャルモーメントと磁気渦の関係性の理解、(8) 電気トロイダル双極子秩序下におけるスピン流生成、(9) 磁気トロイダル双極子秩序を示す候補物質Ce3TiBi5に対する模型計算、(10) 電気トロイダル双極子秩序を示す候補物質であるCa5Ir3O12に対する模型計算、(11) 電気トロイダル双極子秩序下における非線形磁化率の定式化と解析、(12) らせん対称性を有する格子模型における磁気スキルミオン結晶の安定化機構の発見、(13) 強磁性-反強磁性接合を利用した磁気スキルミオン結晶の発現に関する理論提案。

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

幅広い磁気点群に対して、多極子秩序と交差相関応答および量子伝導の関係性を明らかにし、様々な新規現象を見出したため。特に、従来のスピン軌道相互作用に頼らない非相反伝導機構やPT対称性をもつ反強磁性体における非線形スピン流生成など、申請当時には予期していなかった物性現象を明らかにできた。また、CeCoSiやCa5Ir3O12、Ce3TiBi5など種々の物質群に対する理論解析を行い、トロイダル多極子秩序との関連性を示し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、これまで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) 磁気トロイダル単極子秩序が示す新規交差相関応答現象：これまでの研究において、4つの多極子(電気多極子、磁気多極子、磁気トロイダル多極子、電気トロイダル多極子)が存在することが明らかになっている。その中でも空間異方性のない単極子においては、電荷を表現する電気単極子、スピンの湧き出し構造を表現する磁気単極子、カイラリティを表現する電気トロイダル単極子のように、電子自由度と単極子の関係性が明らかにされているが、残りの磁気トロイダル単極子に対応する電子自由度は未解明なままである。そこで群論および模型解析を通じて、磁気トロイダル単極子と電子自由度との関連性およびその秩序状態がもたらす諸物性を明らかにする。
(2) 電気トロイダル双極子秩序下における磁気不安定性：フェロアキシャルモーメントを伴う電気トロイダル双極子秩序を対象とし、これらが低温においてどのような磁気不安定性を示すかを模型解析を通じて調べる。特に、スピン空間における磁気異方性や高次の磁気多極子の発現可能性について詳細に調べる。
(3) 多極子と超伝導の対応関係の理解：拡張された多極子基底を超伝導空間に適用することで、超伝導秩序変数と多極子の対応関係を明らかにする。また、電子の内部自由度の多様性に起因して、多様な超伝導状態が現れることを示す。

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
  • 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 ページ: 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
  • 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
  • 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 ページ: 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 ページ: 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 on zigzag chains (2022)
  • 著者名/発表者名: Yatsushiro Megumi、Oiwa Rikuto、Kusunose Hiroaki、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 155157
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.155157
  • 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: L140406
  • 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
  • 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 ページ: 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 ページ: 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 ページ: 014006
  • DOI: 10.1088/2515-7639/acab89
  • 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
• [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 ページ: 464002
  • DOI: 10.1088/1361-648X/ac9209
  • 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