第一原理手法による界面電場・スピン軌道結合系数の見積とスピン変換物質デザイン

2015 年度 実績報告書

• 研究領域: ナノスピン変換科学
• 研究課題/領域番号: 15H01015
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 石井 史之 金沢大学, 数物科学系, 准教授 (20432122)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: スピン軌道相互作用 / ラシュバ効果 / 人工超格子 / 薄膜 / 界面 / 内部電場 / ノンコリニア磁性 / Skyrmion

研究実績の概要

今年度は閃亜鉛型構造のIII-V族の半導体のバルクならびに人工超格子のスピン軌道結合係数について, (001)面, (110)面の異なる結晶方位にについてスピン軌道結合係数を定量的に求め, これまで報告されているIII-V族化合物半導体系の実験値とよい一致を示すことを明らかにした。また運動量空間のスピン構造を計算し、より詳細にスピン軌道結合係数の結晶方位依存性・内部電場依存性を明らかにした。以前から継続して研究をおこなってきたウルツ鉱型構造の半導体であるZnOの(10-10)表面の薄膜系においては, 水素終端の効果（表面電場)を明らかにした。ウルツ鉱型の(10-10)面と閃亜鉛型の(110)方向は共に運動量空間においてスピンの緩和時間が長くなる"persistent spin helix"型のスピン構造を示すことを明らかにした。以上に加えて、実空間の非自明なスピン構造であるMeron, Skyrmion等のナノスピン構造を示す系において、巨大な異常ネルンスト効果を示す可能性があることを明らかにした。同様にスピンがノンコリニア秩序をもつパイロクロア型Ir酸化物, スピネル型Ir酸化物について調べ, 電子相関の強さによる金属絶縁体転移ならびに、磁気相図を明らかにした。

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

Skyrmion系の巨大ネルンスト効果の可能性を理論的に明らかにした。モデル計算ではあるが、第一原理計算による現実系でも同様の結果が得られており、スピンを活かした巨大な熱電変換現象の萌芽的研究となりつつある。

今後の研究の推進方策

スピン軌道結合係数については、磁性体と半導体との接合系について、格子不整合等を考慮に入れた大規模計算をおこなう。Skyrmion系の異常ネルンスト係数については, より現実的な物質について第一原理計算をおこない、実験グループとも議論をおこないながら研究を進めていく。Ir酸化物系については前年度と同様に, A05公募班の小野田繁樹氏(理化学研究所)と共同で研究を進めていく。最終年度のため、研究成果について迅速に論文として成果発表をおこなう。

研究成果

• [国際共同研究] Chinese Academy of Sciences(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Chinese Academy of Sciences
• [雑誌論文] Spin-split bands of metallic hydrogenated ZnO (10-10) surface: First-principles study (2016)
  • 著者名/発表者名: M.A.U. Absor, F. Ishii, H. Kotaka, and M. Saito
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 6 ページ: 025309-1--7
  • DOI: 10.1063/1.4942104
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] First-principles study on cubic pyrochlore iridates Y2Ir2O7 and Pr2Ir2O7 (2015)
  • 著者名/発表者名: F. Ishii, Y.P. Mizuta, T. Kato, T. Ozaki, H. Weng, and S. Onoda
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 84 ページ: 073703-1--5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.84.073703
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Persistent spin helix on a wurtzite ZnO(10-10) surface: First-principles density-functional study (2015)
  • 著者名/発表者名: M.A.U. Absor, F. Ishii, H. Kotaka, and M. Saito
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 8 ページ: 073006-1--3
  • DOI: 10.7567/APEX.8.073006
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] SrTiO3薄膜におけるスピン軌道相互作用と電気分極の第一原理計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山口直也、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会(2016)
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス、宮城県仙台市
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
• [学会発表] III-V族半導体ヘテロ界面における界面分極とスピン軌道結合係数の第一原理計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 坂谷文成, 小鷹浩毅, 石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会(2016)
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス、宮城県仙台市
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
• [学会発表] トポロジカル絶縁体の電界効果に関する第一原理計算 (2016)
  • 著者名/発表者名: 澤端日華瑠, 山口直也, 石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会(2016)
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス、宮城県仙台市
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
• [学会発表] スキルミオン結晶が大きな熱起電力を生む可能性の検討 (2016)
  • 著者名/発表者名: 水田耀ピエール，石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会(2016)
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス、宮城県仙台市
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-19
• [学会発表] 大きな異常ネルンスト効果を示す系の第一原理的探索に向けて (2016)
  • 著者名/発表者名: 水田 耀ピエール, 澤端 日華瑠, 小鷹 浩毅, 石井 史之
  • 学会等名: 日本熱電学会 計算&データ研究会
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス, 東京都文京区
  • 年月日: 2016-03-11 – 2016-03-11
• [学会発表] 異常熱電効果の第一原理的研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石井史之
  • 学会等名: スピントロニクス研究会
  • 発表場所: ガーデンシティお茶の水, 東京
  • 年月日: 2016-03-04 – 2016-03-04
  • 招待講演
• [学会発表] 異常熱電効果の第一原理的研究(First-principles study of anomalous thermoelectric effect) (2016)
  • 著者名/発表者名: 石井史之
  • 学会等名: 2015年度 大阪大学産業科学研究所 共同研究会
  • 発表場所: 岐阜市, 岐阜グランドホテル
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-09
  • 招待講演
• [学会発表] 歪誘起強誘電SrTiO3超薄膜における層分極及び表面分極の第一原理計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山口直也、石井史之
  • 学会等名: 2015年度日本物理学会北陸支部定例学術講演会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス、石川県金沢市
  • 年月日: 2015-11-28 – 2015-11-28
• [学会発表] First-Principles Study of Layer Polarization in Transition Metal Oxide Thin-films and Interfaces using One-dimensional Wannier Functions (2015)
  • 著者名/発表者名: Naoya Yamaguchi and Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 18th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 発表場所: 東京大学物性研究所、千葉県柏市
  • 年月日: 2015-11-10 – 2015-11-10
  • 国際学会
• [学会発表] First-Principles Study of the Spin-Orbit Coupling Parameters and Layer Polarization in the III-V Semiconductor Heterostructures (2015)
  • 著者名/発表者名: Fuminari Sakatani and Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 18th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 発表場所: 東京大学物性研究所、千葉県柏市
  • 年月日: 2015-11-10 – 2015-11-10
  • 国際学会
• [学会発表] Large Anomalous Thermoelectricity on Skyrmions (2015)
  • 著者名/発表者名: .P. Mizuta, H. Sawahata, H. Kotaka, and F. Ishii
  • 学会等名: The 18th Asian Workshop on First-Principles Electronic Structure Calculations
  • 発表場所: 東京大学物性研究所、千葉県柏市
  • 年月日: 2015-11-10 – 2015-11-10
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study of strain-induced polarization in bulk and thin-film SrTiO3 (2015)
  • 著者名/発表者名: Naoya Yamaguchi and Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: TOEO-9(第9回透明酸化物光・電子材料国際シンポジウム)
  • 発表場所: つくば国際会議場、茨城県つくば市
  • 年月日: 2015-10-19 – 2015-10-19
  • 国際学会
• [学会発表] パイロクロア型Ir酸化物における磁気秩序と電子状態の第一原理計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 石井史之, 水田耀ピエール, 加藤毅大, 尾崎泰助, Hongming Weng, 小野田繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス、大阪府吹田市
  • 年月日: 2015-09-18 – 2015-09-18
• [学会発表] La(Al,Mn)O3/SrTiO3における電気分極の層依存性と電子状態の第一原理計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山口直也、石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス、大阪府吹田市
  • 年月日: 2015-09-18 – 2015-09-18
• [学会発表] III-V族半導体/希薄磁性半導体界面におけるスピン軌道結合係数の第一原理計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 坂谷文成, 小鷹浩毅, 石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス、大阪府吹田市
  • 年月日: 2015-09-18 – 2015-09-18
• [学会発表] Hydrogen induced anisotropic Rashba effect on ZnO (10-10) surface：First-principles density-functional study (2015)
  • 著者名/発表者名: Moh Adhib Ulil Absor, Fumiyuki Ishii, Hiroki Kotaka, and Mineo Saito
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス、大阪府吹田市
  • 年月日: 2015-09-18 – 2015-09-18
• [学会発表] 異常Nernst係数の第一原理計算 (2015)
  • 著者名/発表者名: 水田耀ピエール, 石井史之
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス、大阪府吹田市
  • 年月日: 2015-09-17 – 2015-09-17
• [学会発表] Spin-orbit coupling and spin textures at oxide interfaces (2015)
  • 著者名/発表者名: F. Ishii, M. Nishida, N. Yamaguchi, H. Kotaka, M.A.U. Absor, and M. Saito
  • 学会等名: PSI-K 2015 CONFERENCE
  • 発表場所: Donostia/San Sebastian, Spain
  • 年月日: 2015-09-08 – 2015-09-08
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study on cubic pyrochlore iridates Y2Ir2O7 and Pr2Ir2O7 (2015)
  • 著者名/発表者名: F. Ishii, Y.P. Mizuta, T. Kato, T. Ozaki, H. Weng, S. Onoda
  • 学会等名: PSI-K 2015 CONFERENCE
  • 発表場所: Donostia/San Sebastian, Spain
  • 年月日: 2015-09-08 – 2015-09-08
  • 国際学会
• [学会発表] Possibility of Better Thermoelectricity in Anomalous Hall Systems (2015)
  • 著者名/発表者名: Y.P. Mizuta and F. Ishii
  • 学会等名: PSI-K 2015 CONFERENCE
  • 発表場所: Donostia/San Sebastian, Spain
  • 年月日: 2015-09-07 – 2015-09-07
  • 国際学会
• [学会発表] Rashba effect and surface spin texture in Bi (001) multi-layer nanofilm (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Kotaka, F. Ishii, and M. Saito
  • 学会等名: PSI-K 2015 CONFERENCE
  • 発表場所: Donostia/San Sebastian, Spain
  • 年月日: 2015-09-07 – 2015-09-07
  • 国際学会
• [学会発表] First-Principles Study of Spin-Orbit Coupling Parameters and Built-in Electric Field in LaAlO3/SrTiO3 (2015)
  • 著者名/発表者名: F. Ishii, N. Yamaguchi, M. Nishida, H. Kotaka, and M. Saito
  • 学会等名: New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics
  • 発表場所: 柏の葉カンファレンスセンター, 千葉県柏市
  • 年月日: 2015-06-11 – 2015-06-11
  • 国際学会
• [学会発表] Persistent spin helix on ZnO (10-10) : Fully relativistic study (2015)
  • 著者名/発表者名: Moh Adhib Ulil Absor, Fumiyuki Ishii , Hiroki Kotaka, and Mineo Saito
  • 学会等名: New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics
  • 発表場所: 柏の葉カンファレンスセンター, 千葉県柏市
  • 年月日: 2015-06-01 – 2015-06-01
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study of spin-orbit effects in LaAlO3/SrTiO3 (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Yamaguchi, M. Nishida, F. Ishii, H. Kotaka, M. Saito
  • 学会等名: The 3rd OpenMX/QMAS Workshop 2015
  • 発表場所: 東京大学物性研究所、千葉県柏市
  • 年月日: 2015-05-12 – 2015-05-12
  • 国際学会
• [学会発表] Evolution of Electronic Structure and Thermopower : A First-Principles Study on Pyrochlore Iridates (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. P. Mizuta, F. Ishii , and S. Onoda
  • 学会等名: The 3rd OpenMX/QMAS Workshop 2015
  • 発表場所: 東京大学物性研究所、千葉県柏市
  • 年月日: 2015-05-12 – 2015-05-12
  • 国際学会
• [学会発表] First-principles study of topological phase transitions and spin textures by OpenMX (2015)
  • 著者名/発表者名: Fumiyuki Ishii
  • 学会等名: The 3rd OpenMX/QMAS Workshop 2015
  • 発表場所: 東京大学物性研究所、千葉県柏市
  • 年月日: 2015-05-11 – 2015-05-11
  • 国際学会 / 招待講演