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

2023 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 / 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。本年度においては、非従来型の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および磁気四極子秩序が示す内因性非線形異常ホール効果の微視的機構の解析、(2) 立方晶系における多重Q磁気秩序を解析するための有効スピン模型構築、(3) 対称性適合多極子基底を用いた分子および結晶に対する表現論の構築、(4) 結晶点群Tdにおける磁気スキルミオン結晶の安定化機構、(5) 面内磁場印加による反強磁性スキルミオン結晶の発現に関する理論提案、(6) 空間反転対称な正方格子系における磁気バブル相の発現に関する理論提案、(7) フロッケ理論および磁性表現論に基づいたレーザー誘起磁気相互作用の導出、(8) 4重Q磁気秩序におり構成されるチェッカーボードバブル結晶相の発現に関する理論提案、(9) 2重Q磁気秩序におけるチャーン絶縁体の解析、(10) 反強磁性体における時間反転変換応答、(11) URu2Si2における隠れた秩序変数としてのカイラル電荷秩序の理論提案、(12) 極性磁性体EuNiGe3における複数の磁気スキルミオン相の構造相転移の理論、(13)極性結晶におけるハイブリッドスキルミオン結晶相およびアンチスキルミオン結晶相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

研究計画当初では予期していなかった新しい交差相関応答および非線形現象(磁気トロイダル双極子秩序および磁気四極子秩序が示す内因性非線形異常ホール効果、反強磁性体における時間反転変換応答)を開拓できたため。また、URu2Si2やEuNiGe3など種々の物質群に対する理論解析を行うことで、理論の立場から新しい方向性を指摘できたことも理由の一つである。

今後の研究の推進方策

2024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) 2つのトロイダル多極子(磁気トロイダル多極子、電気トロイダル多極子)がもたらす交差相関応答物性の解析：対象としては、磁気トロイダル単極子がもたらす時間反転変換応答、磁気トロイダル双極子がもたらす線形電気磁気効果、 磁気トロイダル四極子がもたらすスピン流生成、電気トロイダル単極子がもたらすカイラリティ物性、電気トロイダル双極子がもたらすフェロアキシャル物性、電気トロイダル四極子がもたらす異方的カイラルフォノンとする。各系に対して、群論および模型解析を通じて、多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。 また、候補物質を提案することで実験探索への礎を築く。
(2) フェロアキシャル秩序変数の微視的機構の解析：時間反転対称性および空間反転対称性が保たれた系で発現するフェロアキシャル秩序状態を対象とした解析を行う。特に、フェロアキシャル秩序状態における微視的な秩序変数に相当する電気トロイダル双極子が電子のスピン・軌道自由度とどのように関連しているかを模型解析を通じて調べる。系としては、電気トロイダル双極子自由度を含む基本的な模型を考え、スピン軌道相互作用や結晶場の有無、大小関係によって秩序変数の大きさがどのように変化するかを明らかにする。
(3) 反強磁性体における非相反フォノンの微視的理論：反強磁性秩序による対称性の低下がフォノン分散にもたらす影響を理論的に調べる。 特に、空間反転対称性を破るような反強磁性状態に対して、格子自由度を併せて考慮することで、スピン-フォノン結合がフォノン分散に与える影響を調べる。得られると期待される非対称分散のもとでの非線形物性現象について議論する。

研究成果

• [国際共同研究] Paul Scherrer Institut(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: Paul Scherrer Institut
• [雑誌論文] Three-sublattice antiferro-type and ferri-type skyrmion crystals in magnets without the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (2024)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 109 ページ: 014415
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.109.014415
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hybrid skyrmion and antiskyrmion phases in polar C4v systems (2024)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 109 ページ: 054422
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.109.054422
  • 査読あり
• [雑誌論文] Scalar spin chirality induced by a circularly polarized electric field in a classical kagome magnet (2024)
  • 著者名/発表者名: Yambe Ryota、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 109 ページ: 064428
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.109.064428
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analysis of Photo-Induced Chirality and Magnetic Toroidal Moment Based on Floquet Formalism (2024)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Yambe Ryota、Kusunose Hiroaki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 93 ページ: 043702
  • DOI: 10.7566/JPSJ.93.043702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of In-Plane Magnetic Field on Skyrmions in a Centrosymmetric Triangular-Lattice System with Symmetric Anisotropic Exchange Interaction (2024)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Magnetism 巻: 4 ページ: 54～72
  • DOI: 10.3390/magnetism4010005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microscopic mechanism for intrinsic nonlinear anomalous Hall conductivity in noncollinear antiferromagnetic metals (2023)
  • 著者名/発表者名: Kirikoshi Akimitsu、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 155109
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.155109
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anisotropic spin model and multiple-Q states in cubic systems (2023)
  • 著者名/発表者名: Yambe Ryota、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 174408
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.174408
  • 査読あり
• [雑誌論文] Symmetry-adapted modeling for molecules and crystals (2023)
  • 著者名/発表者名: Kusunose Hiroaki、Oiwa Rikuto、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 195118
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.195118
  • 査読あり
• [雑誌論文] Field direction dependent skyrmion crystals in noncentrosymmetric cubic magnets: A comparison between the point groups (O,T and Td) (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Yambe Ryota
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107 ページ: 174435
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.174435
  • 査読あり
• [雑誌論文] Antiferro Skyrmion Crystal Phases in a Synthetic Bilayer Antiferromagnet under an In-Plane Magnetic Field (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 ページ: 084702
  • DOI: 10.7566/JPSJ.92.084702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic bubble crystal in tetragonal magnets (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Kato Yasuyuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 024426
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.024426
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unconventional Hall effect and magnetoresistance induced by metallic ferroaxial ordering (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Oiwa Rikuto、Kusunose Hiroaki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 085124
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.085124
  • 査読あり
• [雑誌論文] Checkerboard bubble lattice formed by octuple-period quadruple-Q spin density waves (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 094415
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.094415
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chern insulating state with double-Q ordering wave vectors at the Brillouin zone boundary (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 094416
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.094416
  • 査読あり
• [雑誌論文] Uniform and staggered electric axial moment in a zigzag chain (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 094106
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.094106
  • 査読あり
• [雑誌論文] Time-reversal switching responses in antiferromagnets (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Kusunose Hiroaki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: L140409
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.108.L140409
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chiral Charge as Hidden Order Parameter in URu2S2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Kusunose Hiroaki
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 ページ: 113704
  • DOI: 10.7566/JPSJ.92.113704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rotational Response Induced by Electric Toroidal Dipole (2023)
  • 著者名/発表者名: Kirikoshi Akimitsu、Hayami Satoru
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 ページ: 123703
  • DOI: 10.7566/JPSJ.92.123703
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiple-q Dipole-Quadrupole Instability in Spin-1 Triangular-lattice Systems (2023)
  • 著者名/発表者名: Hayami Satoru、Hattori Kazumasa
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 92 ページ: 124709
  • DOI: 10.7566/JPSJ.92.124709
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transition between distinct hybrid skyrmion textures through their hexagonal-to-square crystal transformation in a polar magnet (2023)
  • 著者名/発表者名: Singh Deepak、Fujishiro Yukako、Hayami Satoru、Moody Samuel H.、Nomoto Takuya、Baral Priya R.、Ukleev Victor、Cubitt Robert、Steinke Nina-Juliane、Gawryluk Dariusz J.、Pomjakushina Ekaterina、Onuki Yoshichika、Arita Ryotaro、Tokura Yoshinori、Kanazawa Naoya、White Jonathan S.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 8050
  • DOI: 10.1038/s41467-023-43814-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] フェロアキシャル秩序下における非線形磁気歪み応答 (2024)
  • 著者名/発表者名: 桐越 研光, 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 機械学習を用いたトポロジカルスピン秩序探索：正方スキルミオン結晶の新しい安定化機構 (2024)
  • 著者名/発表者名: 沖上 和希, 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] キラル化メタン分子の電気トロイダル単極子による解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 印田 朱音, 大岩 陸人, 楠瀬 博明, 山本 浩史, 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 多極子基底を用いた対称性適合Closestワニエ模型の構築 (2024)
  • 著者名/発表者名: 大岩 陸人, 印田 朱音, 速水 賢, 野本 拓也, 有田 亮太郎, 楠瀬 博明
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 反転対称な系において異方的相互作用がもたらす多彩な磁気ヘッジホッグ格子相とスピンスカラーカイラリティ (2024)
  • 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2024年春季大会
• [学会発表] 円偏光電場によるスキルミオン結晶の安定化とトポロジーの制御 (2024)
  • 著者名/発表者名: 山家 椋太，速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] Magnetic-domain-dependent pseudogap induced by Fermi surface nesting in GdRu2Si2 (2024)
  • 著者名/発表者名: Y. Dong, Y. Kinohsita, M. Ochi, R. Nakachi, R. Higashinaka, S. Hayami, Y. Wan, Y. Arai, S. Huh, M. Hashimoto, D. Lu, M. Tokunaga, Y. Aoki, T. D. Matsuda, T. Kondo
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] カイラルな結晶構造に特有の非線形光学応答 (2024)
  • 著者名/発表者名: 神田修平, 速水賢
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 反強磁性体による創発スピン軌道物性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢
  • 学会等名: 2023年度 第2回スピントロニクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 相関電子系に対する多極子表現論の構築と交差相関応答への適用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢
  • 学会等名: 第17回シンポジウム「物性科学領域横断研究会」記念講演
  • 招待講演
• [学会発表] 機能性トポロジカル磁性体の理論物質設計 (2023)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢
  • 学会等名: シンポジウム「トポロジカルデバイスの現在と未来」
  • 招待講演
• [学会発表] 対称性適合多極子基底を用いた新規物性開拓:スピン分裂・非相反伝導・フェロアキシャル秩序 (2023)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢
  • 学会等名: 金研研究会 強相関物質における創発物性研究の現状と将来展望
  • 招待講演
• [学会発表] Representation of electronic order parameters breaking spatial inversion, time-reversal or gauge symmetries (2023)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢
  • 学会等名: 令和５年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [学会発表] 対称性適合多極子基底を用いたアシンメトリ量子物性の表現 (2023)
  • 著者名/発表者名: 速水 賢
  • 学会等名: 学術変革領域研究（A)「アシンメトリ量子」キックオフミーティング
• [学会発表] 空間反転対称な正方晶スキルミオンホストGdRu2(Si,Ge)2における新規相の発見と磁性の考察 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松山 直史, 野村 肇宏, 速水 賢, 加藤 康之, 吉持 遥人, Nguyen Duy Khanh, 高木 里奈, 十倉 好紀, 関 真一郎, 小濱 芳允
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] 空間反転対称な正方晶スキルミオン物質GdRu2Ge2における磁気相図の磁場角度依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉持 遥人, 高木 里奈, Nguyen Duy Khanh, 速水 賢, 関 真一郎
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] Ca5Ir3O12のメスバウアー分光と中性子回折 (2023)
  • 著者名/発表者名: 筒井 智嗣, 花手 洋樹, 本田 孝志, 速水 賢, 永澤 延元, 依田 芳卓, 松平 和之
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] 電気トロイダル双極子秩序下における磁気不安定性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 印田 朱音, 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] 多極子基底による超伝導ギャップの対称性の分類 (2023)
  • 著者名/発表者名: 桐越 研光, 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] レーザー誘起磁気相互作用による非共面磁気構造の安定化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山家 椋太, 速水 賢
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] TbTe3の反強磁性相における新しいCDW秩序の観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 友田 七海, 藤澤 唯太, 速水 賢, B. R. M. Smith, 中村 友謙, 岡田 佳憲
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] Quantification of chirality based on electric toroidal monopole (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Inda, H. Kusunose, H. Yamamoto, and S. Hayami
  • 学会等名: MRM 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Symmetry analysis of light-induced magnetic interactions via Floquet engineering (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Yambe and S. Hayami
  • 学会等名: Trends in MAGnetism 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Engineering a Skyrmion Crystal in Ferromagnetic/Antiferromagnetic Bilayers Based on Magnetic Frustration Mechanism (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Okigami, R. Yambe, and S. Hayami
  • 学会等名: Topological Matter School 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Classification of Superconductivity in Multiorbital Systems by Multipoles (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Kirikoshi and S. Hayami
  • 学会等名: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Third-order transverse magnetic susceptibility under ferro-axial ordering (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Inda and S. Hayami
  • 学会等名: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Floquet engineering of magnetic interactions: Understanding based on the crystal symmetry lowering (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Yambe and S. Hayami
  • 学会等名: International Conference on Quantum Liquid Crystals 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Sublattice-dependent Skyrmion Crystals by Itinerant Frustration (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Yambe and S. Hayami
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetic Hedgehog Lattices in Itinerant Magnets (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Okumura, S. Hayami, Y. Kato, and Y. Motome
  • 学会等名: International Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Symmetry-adapted closest Wannier tight-binding models (2023)
  • 著者名/発表者名: 大岩 陸人, 印田 朱音, 速水 賢, 野本 拓也, 有田 亮太郎, 楠瀬 博明
  • 学会等名: 令和５年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [学会発表] Effects of Q-dependent Anisotropy on Magnetic Hedgehog Lattices in Centrosymmetric Systems (2023)
  • 著者名/発表者名: 奥村 駿, 速水 賢, 加藤 康之, 求 幸年
  • 学会等名: 令和５年度 新学術領域研究「量子液晶の物性科学」領域研究会
• [学会発表] フェロアキシャル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: 学術変革領域研究(A)「アシンメトリが彩る量子物質の可視化・設計・創出」トピカルミーティング
• [学会発表] Rotational Response Induced by Electric Toroidal Dipole (2023)
  • 著者名/発表者名: 桐越 研光, 速水 賢
  • 学会等名: 学術変革領域研究(A)「アシンメトリが彩る量子物質の可視化・設計・創出」トピカルミーティング
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: https://phys.sci.hokudai.ac.jp/~hayami/index.html