【研究領域課題番号】19K14649 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン流 / 光起電効果 / 量子磁性体 / スピントロニクス / シフト流 / 非線形応答 / トポロジカル絶縁体 / 軌道流 / 非線形光学効果 / 軌道自由度

【研究成果の概要】

本年度は、１マグノン過程による光誘起スピン流の解析を引き続き行った。まず、昨年度導出した公式を拡張し、任意の模型に適応できる非線形スピン流の公式を導出した。この公式は、任意のcolinearな磁気秩序に対して適応できる公式となっており、物質に則した模型における計算に適している。
続いて、非線形スピン流の実験にむけて候補物質を探索した。上で導出した公式を用いて、イジング異方性のあるCrハライド系の光誘起スピン流を計算した。そして、２層Crハライドの有効模型において、昨年発見した２バンド過程（２つのマグノン・バンドを介した過程）によるスピン流が生じることを確認した。この系のスピン流密度はトイ・モデルを用いた先行研究の予測よりも大きい。さらに、このスピン流は反強磁性秩序状態のみで生じ、強磁性相では見られないこと、磁気異方性や磁場を用いてマグノンの寿命を制御することでスピン流の強度を制御できることを見出した。これらの研究により、光によるスピン流の整流効果の存在と候補物質が明らかとなった。
一方で、光誘起スピン流などにおける角運動量の非保存性や散逸の影響については、ほとんど理解されていない。この問題を解決するため、１次元スピン鎖の光誘起スピン流を対象として、境界におけるスピン角運動量の蓄積を計算するコードを作成した。
さらに、ファンデルワールス物質の積層構造の一種であるグラフェンのモアレ超構造でにおける光起電効果と関連した電子格子冷却率の理論研究を行った。具体的には、昨年度行ったフラッドバンドの理論研究を拡張して、モアレ超構造の多バンド効果を考慮したモデルを立てた。そして、パーセル効果によるバンド間散乱の増幅効果を考慮した電子格子冷却率の公式を導出した。
最後に、モアレ超構造の電気伝導におけるパーセル効果の影響を評価し、40K程度の高温までフェルミ液体的挙動が見られることを指摘した。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】26870086 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジカル絶縁体 / トポロジカル結晶絶縁体 / スピン軌道相互作用 / 2次元伝導 / メゾスコピック / 光電子分光 / 磁性 / MBE / 角度分解光電子分光 / 磁性半導体 / 狭ギャップ半導体 / ワイル半金属 / 時間反転対称性 / スピントロニクス / 半導体 / 弱反局在効果 / ディラックコーン / 強磁性

【研究成果の概要】

本研究ではトポロジカル結晶絶縁体(TCI)において、その鏡映対称性がもたらすトポロジカル表面状態（TSS）について、磁性元素の添加による影響を探ることを目指した。まずは高品質単結晶薄膜SnTeにおいて2次元弱反局在効果を観測し、それがTSS由来であることを明らかにした。また補償元素Sb添加を行った所、バルクキャリア低減と、さらにp型・ｎ型両タイプの作製に成功した。その試料において角度分解光電子分光測定を行った結果、TSS由来のディラックコーンの観測に成功した。またSnTeへの磁性元素Mnのドーピングによって強磁性化することにも成功し、低Mn濃度試料では強磁性とTSSが両立しうることを示した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】26287071 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジカル絶縁体 / スピン分解光電子分光 / スピントロニクス / 表面・界面物性 / 光電子分光 / スピン軌道相互作用 / ラシュバ効果 / スピンエレクトロニクス

【研究成果の概要】

固体中で動く電子は、スピン軌道相互作用や結晶の対称性により様々な方向に向くスピンを持つ。本研究ではスピンと運動量の関係が重要な影響を持つ高機能物質の電子状態を解明するために、スピン分解ARPES装置の改造と、これを用いた電子構造研究を行った。その結果、ワイル半金属の表面フェルミアーク、希薄磁性半導体GaMnAsのAsホールバンド、重金属薄膜の１次元エッジ状態、線ノード半金属の表面状態などの電子状態の観測に成功した。これらの成果から、新規トポロジカル物質相の開拓、およびGaMnAaの強磁性機構の解明に成功したと結論した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】26800165 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

時間分解光電子分光法 / トポロジカル絶縁体 / 光起電力 / スピン偏極電流 / 銅酸化物高温超伝導体 / ディラック電子系 / 超高速現象 / トポロジカル系物質 / スピントロニクス / 光電子分光 / 時間分解 / ワイル半金属 / 時間分解光電子分光 / 近藤半導体 / 表面光起電力

【研究成果の概要】

時間分解光電子分光法の高度化と汎用化を進め、新しい切り口からの研究を開拓した。１.非占有側のバンドを直接観測できるという原理を用いて、種々のトポロジカル物質（トポロジカル絶縁体TIやワイルセミメタル）の分類を進めた。２．固体表層数ナノメートルに特異的な光現象を観測できる特徴を生かして、世界に先駆けてTI表面に光起電力が生じることを見出した。この現象を利用した新機能を提案し基礎づけた。３．銅酸化物高温超伝導体の光応答を精査して、全く新しい超伝導機構を提案した。４．光学材料として期待されるディラック電子系物質の光励起状態とダイナミクスを系統的に調べ、反転分布の実現やモデルの適用可能性を議論した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】幾何学

【研究領域課題番号】26287009 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非線形現象 / 特異性 / 幾何学 / ラグランジュ特異点 / ルジャンドル特異点 / スピントロニクス / 双曲空間 / 垂足部分集合 / カスプ辺 / トポロジカル絶縁体 / 光化学反応 / ホログラフィー原理 / バルクエッジ対応 / バンド交差 / ツバメの尾曲面 / 垂足曲線 / グラフ型大波面 / 焦点集合 / バンド交差理論 / グラフ型波面 / Darboux枠 / 世界面

【研究成果の概要】

当研究では、ラグランジュ部分多様体芽の間のラグランジュ同値と対応するグラフ型波面のある種の幾何学的同値関係が同じものである事を示した。その結果、ラグランジュ特異点論の様々な応用が見つかった。例えば、古典的微分幾何学への応用、双曲幾何学への応用、時空の幾何学への応用等の他に特異点を持つ曲面や写像の微分幾何学的研究への応用が含まれる。これらとは別に、この研究を通して、特異点論の量子力学への応用が新たに発見され、現在発展中である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,250千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 3,750千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】25400317 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トポロジカル原子層物質 / トポロジカル絶縁体 / スキルミオン / スカーミオン / トポロジカル・ソリトン / ワイル半金属 / トポロジカル相転移 / ループ・ノード半金属 / トポロジカル物質 / 砂時計フェルミオン / マルチ・バンド・タッチング・フェルミオン / ノンシンモルフィック対称性 / ディラック半金属 / バレートロニクス / 原子層物質 / トポロジカル散逸構造 / トポロジカル超伝導体 / マヨラナ粒子 / シリセン / Skyrmion / フォスフォレン / 量子スピンホール効果 / スピン軌道相互作用 / スピントロニクス / トポロジカル・エレクトロニクス

【研究成果の概要】

シリセン、ゲルマネン、スタネンをはじめとするトポロジカル原子層物質の物性を研究した。電場や光照射による様々なトポロジカル相転移を明らかにし、トポロジカル電界効果トランジスターなどのトポロジカル・デバイスを提案した。第五族や第三族の原子層物質の電子物性の研究も行った。具体的には燐の原子層物質であるフォスフォレンのエッジ状態を明らかにした。ヒ素の原子層物質であるアルセネンやアルミニウムの原子層物質であるアルミネンのバンド構造を世界に先駆けて第一原理計算を用いて明らかにした。
また、磁性体中のトポロジカル・ソリトンであるスキルミオンの非平衡ダイナミクスも数値シミュレーションを用いて解析した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)

【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス

【研究領域課題番号】25800225 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

物性理論 / 冷却原子 / 人工ゲージ場 / 量子ホール効果 / スピントロニクス / トポロジカル秩序 / トポロジカル絶縁体 / 光格子 / ボースアインシュタイン凝縮体 / ボースアインシュタイン凝縮

【研究成果の概要】

トポロジカル秩序状態は、量子化された応答や分数統計に従う準粒子などの興味深い性質を示すことが知られる。本研究では、操作性の高い冷却原子系で実現可能な新奇トポロジカル秩序状態の理論的探索、その諸性質の解明に取り組んだ。特に、人工ゲージ場中の二成分ボース気体の基底状態相図を詳細に決定し、特異な端状態を持つボソン版整数量子ホール状態の存在、時間反転対称性の相互作用効果への非自明な役割を明らかにした。また、光格子中のBose-Einstein凝縮体の励起バンドが非自明なトポロジーを獲得しうること、それに起因する端状態が巨視的量子干渉により観測できることを示した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)