2014 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ低次元構造が拓く新奇二重らせん磁気強誘電特性とその変形連動力学
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26289006
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
嶋田 隆広 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20534259)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ナノ構造 / 強誘電体 / 磁性 / マルチフィジックス特性 / 第一原理解析 / マルチフェロイクス / 薄膜 / ナノワイヤ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁性強誘電体（マルチフェロイクス）は、ナノ・バイオ機械システム(NEMS)や高密度記録媒体などの次世代ナノ・生体・エネルギー科学技術の基幹を成す最重要材料である。通常、マルチフェロイクスのバルク材中の強誘電性と磁性は共存するものの、それらの相互作用は比較的弱く、互いに直線的な性質を有している。ところが、マルチフェロイクスの構造体寸法がナノスケールになると、両物性間に強い非線形相互作用が現れ、渦状やらせん状など特徴的な分極・磁気モーメントが現れる。本研究では、ナノ・マルチフェロイクスの低次元形状に依存して発現する特異な磁性・強誘電性を解明することを目的とする。さらに、負荷ひずみに対する同特性の連動作用（マルチフィジックス）の究明を目指す。
初年度である平成２６年度は、まず、（１）強誘電性と磁性が共存するマルチフェロイクスの複雑な電子状態を評価するため、従来より高度な電子状態計算法であるDFT+U法ならびにハイブリッド汎関数法を導入した。バルク材に対して予備計算を実施し、これらの方法がマルチフェロイクスの材料特性・電子状態をよく表現できることを示した。（２）大規模な量子解析用の並列計算システムを構築し、これらの手法を同計算システムに実装・調整を行った。（３）上記２項目にて開発した量子計算システムを用いて、幾何形状の異なるナノ・マルチフェロイクスの磁気モーメント・自発分極特性を原子/電子レベルから評価した。（４）その結果、2次元ナノ構造体であるナノ薄膜では、バルク材では見られない渦状の分極構造が表面部に特定の周期で現れることが分かった。また、１次元ナノ構造体であるナノワイヤ・ナノチューブでは、磁気モーメントと自発分極がともにらせんを描く二重らせん状のマルチフェロイクス特性が現れることを明らかにした。
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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
本年度の計画は、（１）マルチフェロイクスの特性を再現する第一原理解析法の導入、（２）大規模量子計算を実現する計算システムの構築、（３）大規模量子計算の実施、（４）ナノ構造体内部の磁気・分極分布の三次元解析、である。研究実績欄に記載のとおり、これらの予定項目（１）～（４）はすべて実施し、それぞれの目的を達成している。したがって、研究は当初予定通り、順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究は順調に進展しており、今後の研究の推進方策も当初予定した以下のとおり実施する予定である。
（１）ナノ・マルチフェロイクスに対して負荷を与え、ナノ特有の変形特性について検討する。同時に、負荷と連動して変化する磁性・強誘電性（マルチフィジックス特性）を解析・評価する。
（２）上記の項目で得られたマルチフィジックス特性について、原子構造・電子状態の観点からのその機構について検討する。
（３）ナノ構造体内部に生じる反電場など評価するプログラムを開発する。
（４）上記にて開発したプログラムを計算装置に実装・調整を行う。
（５）次年度の研究準備として、自由エネルギーモデルに基づくPhase-Fieldプログラムを整備する。
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| Causes of Carryover |
当初は大規模量子計算実現のために非常に高速な通信機器の実装を予定していたが、装置開発過程でシステム的に本機能を克服することができることが判明した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度以降実装予定の反電場等解析装置との連結には拘束通信システムが必要となるため、この実装に用いる予定である。
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Research Products
(21 results)
