2015 Fiscal Year Annual Research Report
ディラック－ワイル電子系におけるスピン電磁結合の理論
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15J03412
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
紅林 大地 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | ワイル半金属 / スピントロニクス / トポロジカル絶縁体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者は、昨年度、トポロジカル物質における磁化のダイナミクスの解析を行った。具体的には、以下の2つのテーマについて研究に取り組んだ。
一つ目に、３次元トポロジカル絶縁体上に磁性絶縁体を接合した系におけるディラック電子によって媒介されるマグノンの電磁応答について調べた。本研究では、トポロジカル絶縁体表面上のディラック電子系の作用に、磁性対中の局所スピンとの交換相互作用を加えたモデルを用い、ディラック電子の自由度を汎関数積分することでマグノンに対する有効作用を導出した。結果として、トポロジカル絶縁体/磁性絶縁体接合系におけるマグノン有効作用が電磁双対性を持つことを明らかにした。この電磁双対性の帰結として、トポロジカル絶縁体表面上では、電場による磁化、また磁場による電気分極の誘起が可能である交差相関があることが明らかとなった。つまり、トポロジカル絶縁体/磁性絶縁体界面においては電気的なマグノン励起（エレクトロマグノン）が実現可能であることが示唆される。
二つ目に、３次元トポロジカル絶縁体に磁性不純物をドープし実現したワイル半金属における磁化の電磁応答について調べた。本研究では、磁性不純物をドープしたワイル半金属について、カイラル量子異常の効果を含んだ磁化のエネルギー汎関数を導出し、磁化のダイナミクスを記述するランダウ-リフシッツ-ギルバート方程式と併せて解くことで、磁化の電磁応答の解析を行った。結果として、ワイル半金属では電圧印加により磁化のダイナミクスを引き起こすことが可能であることを明らかにした。さらに、典型的な印加電圧としてパルス電圧と交流電圧におけるダイナミクスを解析し、パルス電圧については磁化反転、交流電圧については磁化の歳差運動が誘起されることを明らかにした。磁化の歳差運動はスピン流を伴うため、ワイル半金属にでは交流電圧によるスピン流生成が可能である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画ではトポロジカル絶縁体表面での磁化のダイナミクスを解析したのちに、３次元ワイル半金属について研究を進めていく予定であった。しかし、トポロジカル絶縁体表面についての類似研究が他の研究グループによって発表されてしまっため、昨年度はまだ行われていないワイル半金属についての解析を計画を早め実行した。ワイル半金属についての解析はうまくいっており、昨年度は２本(1本は現在、投稿中)の論文をまとめることができた。そのことから、おおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
申請者は、本年度、ワイル半金属におけるLLG方程式の構築を行う予定である。具体的には、ギルバート緩和定数、スピン移行トルク、非断熱性の効果であるβ項などの磁化ダイナミクスを記述する上で重要になるパラメータの解析的表式を線形応答理論を用い微視的に導出することを目指す。この際、摂動の高次項としてどのようなダイアグラムが寄与してくるかは一般的に非自明な問題であり、物理的な考察が必要であると考えられる。ここでは、自己無撞着ボルン近似やT行列近似などの複数の近似手法を試そうと考えている。最終的に、揺らぎの効果をバーテックス補正として求めることで、乱れの効果についても議論する予定である。
また、磁気構造に乱れのあるワイル半金属についての量子異常ホール電導率についても、上記と同様の解析を行うことで解析的表式の導出を行う。それに加え、格子模型に対してランダウアー・ビュティカーの公式を適用し、異常ホール伝導度を数値的に計算する。連続モデルの解析結果と数値計算結果を比較することで、近似の正当性を評価する。
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Research Products
(5 results)
