2015 Fiscal Year Annual Research Report
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24224009
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
永長 直人 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60164406)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
BAHRAMY MOHAMMAD 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (10587463)
十倉 好紀 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30143382)
佐藤 卓 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70354214)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | ジャロシンスキー・守谷（DM）相互作用 / モノポール / 磁性トポロジカル絶縁体 / 量子化異常ホール効果 / 磁壁伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
実空間創発電磁気学に関しては引き続きスキルミオン系の研究を進めた。第一原理電子状態計算によってジャロシンスキー・守谷（DM）相互作用の強さを評価する方法論を開発し、Mn1-xFexGeに応用して、xに関してDM相互作用の符号反転を観測した実験を再現するとともに、その微視的原因を突き止めた。さらに、歪によって大きなDM相互作用の異方性が誘起されることを実験、理論双方から見出した。また、スキルミオン系における高周波共鳴現象や方向二色性、一軸圧や急冷による生成消滅制御、3次元スキルミオン構造やスキルミオンの室温形成の実空間観測などに成功した。3次元スキルミオン系では、モノポール結晶が形成されて、それが磁場下で対消滅を起こすトポロジカル相転移を起こすことを理論・実験の協働で明らかにした。また、絶縁体スキルミオン系Cu2OSeO3の磁場温度相図や高調波成分等を、中性子小角散乱を用いて調べた（豪ANSTO, J-PARC）。独自開発試料冷却機構を用いた中性子小角散乱を行いMnSiスキルミオンの電流応答を確認した。MnSi では磁場誘起強磁性相の極低エネルギー非弾性散乱をも行い、世界で初めて強磁性マグノン分散シフトを直接検出した（米ORNL, Sato et al. submitted）。
運動量空間の観点からは、磁性トポロジカル絶縁体の研究を推進し、特に表面強磁性体の物理的性質を探求した。理論では、磁壁構造の安定性を検討し、フェルミエネルギーの位置によってネール構造とブロッホ構造が現れることを見出した。また、スキルミオン構造もある条件を満たすと安定化することを予言し、これは実験によって実証された。さらに進んで、表面自由度を制御した量子ホール効果や超構造作製による量子化異常ホール状態の安定化、スピン偏極した表面状態のバンドに由来する光電流の観測などに成功した。また、強相関イリジウム酸化物において磁性制御による絶縁体金属転移や磁壁伝導の直接観測に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
スキルミオンの研究は、3次元構造へと発展し、スキルミオンの端点としてのモノポールの物性に注目が集まっている。対応して、MnGeにおけるモノポール結晶の研究を推進し、磁気抵抗、ホール効果、超音波吸収などの実験と、理論計算を組み合わせることで、モノポールとアンチモノポールの対消滅に対応するトポロジカル相転移が磁場によって起きることを明らかにした。また、第一原理電子状態計算が進んで、スピンハミルトニアンにおけるパラメータを微視的な立場から決定できるようになってきた。これは物質設計への大きな一歩となる。
運動量空間の観点からは、磁性トポロジカル絶縁体の研究が進展し、量子化異常ホール効果が安定的に実験で実現できるようになるとともに、その制御の方法が確立してきた。対応して、磁壁の役割や、上下の表面の違いが量子ホール効果に及ぼす影響、さらには磁壁構造に由来する量子輸送現象が研究対象として浮かび上がってきた。理論では、軌道に依存した交換相互作用が重要な役割を果たしていること、電子濃度によって磁壁構造が多彩な変化を示すこと、磁壁が電荷を持つこと、などが明らかになった。さらに、磁性トポロジカル絶縁体において、ある条件が満たされるとスキルミオンが安定化することが理論で予言され、対応するトポロジカルホール効果が実験で観測されるに至った。この研究の意味する重要な知見は、個別に研究されてきた実空間、運動量空間の創発電磁気学現象の間に相関が存在することである。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに研究目的の大枠は実現できたため、今後は創発電磁場を駆使して巨大電磁気応答開拓やデバイス設計指針確立に向けて研究を推進する。具体的には、結晶キラリティ制御や磁性積層構造デバイス作製を中心に、スキルミオン・モノポールスピン結晶制御、電流・スピン波の二色性、電気磁気効果といった新現象開拓を行う。積層系特有のスキルミオンダイナミクス（例えばスキルミオンドラッグ効果）の数値的研究を推進し、素子設計学理の構築を本格化する。また、実空間トポロジカルスピン結晶状態転移と磁気異方性の関連や電場・電流によるスキルミオン状態の生成消去や転送の実空間観測を行う。
創発磁場のダイナミクスの観点からは、トポロジカル絶縁体におけるaxion項やマルチフェロイック物質における電気分極と磁化の結合に由来する電気磁気効果を用いてテラヘルツ光の偏光制御を行う。理論ではトポロジカル絶縁体特有の電場と磁化との強い結合に着目し、磁気共鳴スペクトルの計算、電場の２次に比例したシフトカレント・シフトスピンカレントの計算、など交流応答の統一論を構築する。Cu2OSeO3 のスカーミオン格子反射高調波成分に対する数値シミュレーションとの比較検討、MnSi の電流印加小角散乱実験で見られたブラッグ反射幅や相対強度の電流依存性に対する数値シミュレーション・理論計算との比較検討等を行う。
バルクラシュバ分裂物質である BiTeI に関しては、磁場中でのランダウ準位間遷移の観測にチャレンジする。また、磁場の下で電場の方向によって電気抵抗の値が異なるマグネトカイラル効果の理論計算を行うとともに、実験グループと協力してその巨大化を図る。また、空間反転対称性が破れたワイル半金属において、同様の効果が期待されるが、この効果とカイラル量子異常との関係を明らかにする。
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[Journal Article] Negative electronic compressibility and tunable spin splitting in WSe22015
Author(s)
J. M. Riley, W. Meevasana, L. Bawden, M. Asakawa, T. Takayama, T. Eknapakul, T. K. Kim, M. Hoesch, S.-K. Mo, H. Takagi, T. Sasagawa, M. S. Bahramy and P. D. C. King
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Journal Title
Nat. Nanotechnol.
Volume: 10
Pages: 1043-1-6
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Large anisotropic deformation of skyrmions in strained crystal2015
Author(s)
K. Shibata, J. Iwasaki, N. Kanazawa, S. Aizawa, T. Tanigaki, M. Shirai, T. Nakajima, M. Kubota, M. Kawasaki, H. S. Park, D. Shindo, N. Nagaosa and Y. Tokura
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Journal Title
Nature Nanotech.
Volume: 10
Pages: 589-592
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Carrier-density control of the SrTiO3 (001) surface 2D electron gas studied by ARPES2015
Author(s)
S. McKeown Walker, F. Y. Bruno, Z. Wang, A. de la Torre, S. Ricco, A. Tamai, T. Kim, M. Hoesch, M. Shi, M.S. Bahramy, P. King and F. Baumberger
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Journal Title
Adv. Mater.
Volume: 27
Pages: 3894-3899
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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