【研究領域課題番号】21H01041 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / 磁性 / 超伝導 / 第一原理計算 / 多極子秩序 / 動的平均場法 / データ科学

【研究成果の概要】

本研究では、磁性や超伝導などの機能物性を第一原理的に記述する実用的な理論の構築を目指して、動的平均場法（DMFT法）によって強相関効果を考慮した第一原理計算法（DFT+DMFT法）の発展とその応用に取り組む。全研究期間を通した研究計画は、DFT+DMFT法に関連した理論構築とその適用範囲を検証する“基礎”と適用限界の範囲で強相関化合物の物質設計に応用する“応用”に分かれる。本年度は基礎に関する以下の課題に取り組んだ。
化合物の磁性、あるいは一般に多極子秩序を理論計算により調べるためには、波数依存した感受率を計算する必要がある。DFT+DMFT法では、波数依存感受率はベーテ・サルピータ方程式と呼ばれる方程式を解くことで得られる。しかし、感受率はスピン・軌道自由度の添え字を4つ有するため、強相関系の舞台であるd軌道系やf軌道系でこの方程式を解くこは簡単ではない。特に、f軌道に応用するためには、適切な近似による計算量の削減と得られた多極子感受率（4階のテンソル量）の解析法の確立が必要である。
本研究では、多極子秩序の研究でもっともよく調べられているf電子系化合物CeB6を対象として、DFT+DMFT法による電子構造および多極子感受率の計算を行い、検証を行った。その結果、実験と矛盾のない波数依存感受率を得ることができた。この最終的な結果を得る過程において、相互作用に関するdouble counting correctionに関して重要な知見が得られた。この結果は、今後、DFT+DMFT法を様々なf電子系化合物に応用していく際に重要な指針となる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)

【研究領域課題番号】21H01789 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁性 / 第一原理計算 / 群論 / ハイスループット計算 / トポロジカル物質 / トポロジー

【研究成果の概要】

初年度は第一原理計算によるトポロジカル物質の特異な縮退バンド構造と輸送現象に関する系統的な研究を実施し、ワイル磁性半金属として知られるCo3Sn2S2に対するInドープの効果と異常ホール・異常ネルンスト効果の解析、ディラック反強磁性体として知られるCuMnAsのスピンホール効果と磁場有起異常ホール効果の解析に関して、論文を出版している[Yanagi et al, Phys. Rev. B 103, 205112 (2021), Huyen et al., Phys. Rev. B 104, 035110 (2021)]。
Co3InxSn2-xS2の研究では、仮想結晶近似によるInドープ依存性の計算を行うことで実験結果を良く再現できることを示し、Inドープによるシフトに伴って異常ネルンスト効果をさらに増強することなどを提案している。反強磁性ディラック反強磁性体MnCuAsの研究では群論による高対称磁気構造の生成手法と第一原理計算から予測される安定な磁気構造が実験から決定されている磁気構造と一致することを示し、第一原理計算によるスピンホール効果の計算から、その反強磁性秩序における大きなスピンホール効果の発現を予測している。さらに、詳細な電子構造の解析から、その巨大スピンホール効果の発現が、フェルミ準位近傍のノーダルラインのスピン軌道相互作用による分裂から生じる寄与によって説明されることを示している。
また、本研究プロジェクトで活用する結晶対称性を活用した高対称磁気構造のスクリーニングシステムの基盤理論である、クラスター多極子法を有限伝搬ベクトルで特徴づけられるより広範な磁気構造を扱えるように拡張し、実際の磁性体に対する磁気構造と輸送現象の解析などを実施した上で、論文を執筆している(Yanagi et al., arXiv:2104.13704(2021))。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)

【研究領域課題番号】20K21067 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁性体 / 輸送現象 / 第一原理計算 / 磁性 / 反強磁性

【研究成果の概要】

磁性体の磁気構造評価や複雑な磁気秩序形成下における物性発現機構の研究に取り組み、第一原理計算による磁性体の輸送現象を対象とした研究を実施した。磁性体におけるスピンホール効果や磁場下における輸送現象にも研究対象を広げ、磁気構造や電子構造が磁性体に特有の現象である異常ホール効果や異常ネルンスト効果の他、磁性体のスピンホール効果や磁場下における異常ホール効果・スピンホール効果、トポロジカルホール効果などの輸送現象に与える影響を、第一原理計算を活用して詳細に調べた。これらの結果は論文としてまとめ、出版している。

【研究の社会的意義】

本研究成果は近年発見された反強磁性体における物性現象の理解を深め、磁性体の詳細な磁気構造と物性機構の関わりを明らかにし、また、詳細な磁気構造を取り入れた磁性体の物性評価手法の発展に貢献するものである。磁気的相互作用と磁気秩序の形成、及びその物性の予測手法の研究を通して、詳細な磁気構造の情報を取り込んだ磁性体の物性シミュレーション手法の発展へとつながる知見を得ている。これらの磁性状態の第一原理手法から得られる結果をスピンモデルの構築に活用していくことで、より実践的な磁気物性のシミュレーション手法の発展が期待できる。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2020-07-30 - 2022-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究領域課題番号】18H01158 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強相関電子系 / 磁性 / 超伝導 / 第一原理計算 / スパースモデリング / 動的平均場法 / データ科学 / 計算物理 / オープンソースソフトウェア / 量子モンテカルロ法 / 動的感受率 / 動的平均場理論

【研究成果の概要】

強相関電子系化合物では、多数の電子がクーロン斥力によって強く相互作用しあうことで、磁性や超伝導などの実用的に有用な様々な機能物性が発現する。それらの物性を理解する上で、外場への応答を表す感受率が重要な役割を果たす。しかし、現実の強相関化合物に対する感受率の計算は、数値計算の難しさのために実現していない。本研究では、データ科学的な方法論を応用することで、強相関化合物の感受率計算の実現に向けた多くの進展を得た。

【研究の社会的意義】

静的な外場に対応する感受率は、材料としての性能そのものを表し、また、磁性や超伝導状態への相転移温度の決定にも利用される。一方、動的な外場に対応する感受率によって物質の励起構造を調べることができる。このように、静的および動的感受率は基礎・応用共に極めて重要な物理量であるが、多くの有用な機能物質を有する強相関電子系化合物の感受率計算は困難であった。本研究成果はこれを可能とするもので、今後、現実の機能物質の研究に応用されていくと期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)

【研究分野】応用物性

【研究領域課題番号】16H06332 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 磁性 / 表面・界面物性 / 超薄膜 / スピン軌道相互作用 / 垂直磁気異方性 / 軌道分光 / 第一原理計算 / 表面・界面

【研究成果の概要】

界面原子層成長制御、磁気分光、第一原理計算を結集することにより、界面スピン軌道結合を微視的に解明し、その学術基盤の構築とデバイス応用を狙った。まず、教科書の記述の更新につながる成果としては、界面磁気異方性の微視的理解であり、物質系ごとに軌道磁気モーメントの異方性と軌道四極子それぞれの役割を直感的理解とともに明らかにした。界面原子層成長制御が一層の進歩を遂げ、室温の世界記録となる異方性トンネル磁気抵抗効果や、Fe/MgO/Fe(001)接合のトンネル磁気抵抗効果の倍増にも成功した。この他、可逆歪場を利用した新規磁気分光法や、Rashba型スピン軌道相互作用に関する成果も得た。

【研究の社会的意義】

界面の研究では、試料品質によって結果が大きく異なってくることが多い。本研究では、高品位試料作製技術と磁気分光、理論解析が一体化することによって、well-definedな界面での研究を可能とし、界面でのスピン軌道結合の微視的理解を推し進めた。教科書の改訂につながる成果を挙げており、学術基盤の構築という意義を有する。社会的意義としては、従来よりもはるかに大きなTMRやTAMRを実現しており、今後のスピントロニクス応用における貢献が期待できる。省エネやAI技術を含む次世代情報通信技術に資するものである。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2016-05-31 - 2021-03-31

【配分額】188,500千円 (直接経費: 145,000千円、間接経費: 43,500千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】24560001 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントロニクス / 物性理論 / 第一原理計算 / 磁性 / スピン輸送

【研究成果の概要】

スピン量子十字構造素子なるものを提案し、それをモデルデバイスとして、スピン伝導の計算を行った。本研究課題では、近年話題になっているバルクとしては絶縁体で、表面は金属であるという奇妙な性質を有するトポロジカル絶縁体を電極に用いた場合のスピンコンダクタンスを計算した。トポロジカル絶縁体のバンド構造は、時間反転対称性で決まっているため、これを制御するために、表面に時間反転対称性を破る磁性絶縁体を蒸着したモデルを考え、その磁化の関数として、スピンコンダクタンスを計算した。その結果、磁化によって、スピンコンダクタンスを制御することが可能であることが分かり、新規なスピン素子として有望である事が判明した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)

【研究分野】量子ビーム科学

【研究領域課題番号】24310072 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピン / 陽電子 / スピントロニクス / 磁性 / 表面 / ハーフメタル / 原子空孔 / ポジトロニウム / スピン偏極陽電子 / 電子運動量分布 / 陽電子消滅寿命 / 電子スピン / 強磁性体 / 電流誘起スピン蓄積 / ラシュバ効果 / 原子空孔誘起強磁性 / ホイスラー合金 / 原sに空孔誘起強磁性 / 陽電子消滅 / スピン偏極 / 陽電子ビーム / 表面磁性 / 第一原理計算

【研究成果の概要】

3d及び4f強磁性金属のスピン偏極陽電子消滅実験を通じて、その手法の基礎を構築した。さらにその応用研究の結果、(i)ホイスラー合金Co2MnSiとNiMnSbが高いハーフメタル性を持っていること、(ii)Pd,Pt,Ta,W及びBi/Ag最表面において電流駆動によるスピン偏極が起こること、(ii)ZnOとSnO2中のカチオン空孔に外部磁場で揃う磁気モーメントが付随すること、などを見出した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】14,170千円 (直接経費: 10,900千円、間接経費: 3,270千円)

【研究分野】ナノ材料・ナノバイオサイエンス

【研究領域課題番号】21710102 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ表面・界面 / ナノ材料 / 磁性 / 物性理論 / ナノ界面 / 表面・界面物性 / 格子欠陥 / 第一原理計算

【研究成果の概要】

本研究では、GaNをはじめとする窒化物半導体と非磁性物質との界面における磁性の発現および制御を目指し第一原理計算を行った。まず、AlN/MgB2界面およびGaN/ZrB2界面を理論解析し、AlN/MgB2界面では界面強磁性が発現する可能性を示した。また、界面スピン物性の応用として最も重要であると考えられるスピン伝導特性を量子コンダクタンスの計算により明らかにした。これらの結果はPhysical Review Lettersに掲載された。また、GaN/グラフェン界面のスピン物性も精査しその結果をApplied Physics Lettersに発表した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2009 - 2012

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)