東京工業大学 物理学系
物性理論 石塚研究室
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About Us

我々の研究室では,ベリー位相効果や量子位相干渉などの量子系特有の現象を中心に,物質中で発現する新奇な物性に関する理論研究を行っています. 最近では,トポロジカル絶縁体・半金属,スキルミオン系などの磁性金属,グラフェンなどの2次元物質やモアレ超構造の物性解明と新現象の予言に取り組んでいます. 多数の原子や電子が凝集することで真空とは異なる多彩な量子系が実現する固体は,量子現象を研究する格好の舞台です. 物質を主な対象に未知の現象の開拓と多様な量子現象の統一的理解を目指しています.

Members

  • 石塚 大晃 [ PI, web ]
(修士課程)
  • 柳原 幸哉
(卒業研究)
  • 田中 翔
  • 寺澤 龍之介

Research

磁気モノポールやスキルミオンなどの磁気構造は,電子と結合することで量子力学的な効果による非自明な輸送現象を引き起こします.こうした現象は基礎研究だけでなく,スピントロニクスなどへの応用の観点からも注目を集めている課題です.本研究では,スピン軌道相互作用が強い電子系と磁気モノポールなどの磁気構造による異常ホール効果(磁性を起源としたホール効果)を詳細に調べました.そして,磁気モノポールによる異常ホール効果があること,およびこのホール効果がナノ・デバイス中や格子歪みのある磁性体でみられる可能性を指摘しました.本現象は,電子系のスピン軌道相互作用が新しい輸送現象を引き起こすことを示しており,これまで電気的な検出の難しかった磁気構造の異常ホール効果を用いた観測に応用できる可能性があります.

Keywords:

異常ホール効果
磁気モノポール
スキルミオン
スピントロニクス
スキュー散乱

  1. J. Mochida, bachelor thesis [卒業論文] (Tokyo Institute of Technology, Mar. 2022).

  2. J. Mochida, H. Ishizuka. preprint (arXiv:2211.10180) (2022).

トポロジカル絶縁体・半金属に磁性を導入した場合に見られる特異な現象はトポロジカル物性やスピントロニクスの観点から近年盛んに研究されています.本研究では磁気ダイナミクスによるワイル粒子の応答を研究し,磁気ダイナミクスによってサウレスの断熱ポンプに類似のベリー位相効果が生じること,およびこの効果がスピン起電力として観測できることを指摘しました[1,2].直観的には,この効果はアンペールの法則の磁気モノポール版(あるいはファラデーの法則の拡張)として理解できます.アンペールの法則では円電流によって磁場が生じます.それに対し,この効果はベリー曲率の磁気モノポールであることが知られているワイル・ノードが波数空間で円運動することによって生じる波数空間の電場として理解できます.実験的には,この現象は最近発見された反転対称性の破れたワイル磁性体(MIT・Checkelsky研,Boston College・Tafti研)で観測できる可能性があります.

Keywords:

ベリー位相効果
トポロジカル半金属
スピントロニクス
ワイル粒子
スピン起電力

  1. A. Harada, bachelor thesis [卒業論文] (Tokyo Institute of Technology, Sep. 2021).

  2. A. Harada, H. Ishizuka. preprint (arXiv:2201.11568) (2022).

電子系の相互作用は電気抵抗に様々な特徴を生じるため,電気抵抗は電子系の相互作用を理解する重要な手がかりを与えます.特に電気抵抗の温度依存性は理論・実験の両面で数多くの研究があり,通常の金属や半導体については理解が得られています.こうした中,最近のモアレ・グラフェンにおいて従来の理論では説明できないT^2に比例する大きな電気抵抗が報告されました[1].この実験は,既に十分な理解が得られていると考えられてきた金属中の電子間相互作用の物理に再考を促すものです.本研究では,この電気抵抗の振る舞いを説明する理論としてモアレ超構造の特異なワニエ軌道によるウムクラップ散乱の大幅な増強効果を提案しました[2].この現象は,我々の先行研究で議論した電子フォノン相互作用におけるパーセル効果によく似た効果です.また,本論文で行ったボルツマン理論を用いた電気抵抗の解析は実験結果を準定量的に再現します.本成果は電子間相互作用の物理におけるワニエ軌道の非自明な影響を明らかにしており,物質中における電子間相互作用の物理の新しい側面を明らかにしました.

Keywords:

T^2電気抵抗
電子相関
パーセル効果
モアレ・グラフェン
ボルツマン理論

  1. A. Jaoui, H. Ishizuka et al., accepted for publication in Nat. Phys.

  2. H. Ishizuka, L. Levitov. preprint (arXiv:2112.09007) (2021).

ファンデルワールス物質の原子層からなる2次元物質はディラック電子などの多彩な電子状態の実現や積層によってそれらを制御できることなど,量子物性の研究において興味深い系です.グラフェン系における超伝導やCrハライドにおける2次元磁性の発見など,近年,その可能性はより広がっています.本研究では,Crハライド系の2層構造が光誘起スピン流 (太陽電池の様に,電磁波の照射でスピン流を整流する現象) を実現するための有力な候補物質であることを理論的に予測しました.特に,2層構造の反強磁性相において磁気共鳴による非線形スピン流の整流効果が実際に起こることを確認するとともに,この物質の非線形スピン流が従来の理論研究とは異なる機構で生じることを見出しました.この違いを反映して,Crハライド系のスピン流の推定値は従来の簡単な理論模型を用いた推定より数桁大きくなります.そのため,Crハライド系は光誘起スピン流の実験研究において有力な候補物質と言えます.本研究は光誘起スピン流研究の候補物質に関する最初の例であり,光誘起スピン流の実験や,実際の物質に則した系における非線形スピン流の理論研究への発展が期待されます.

Keywords:

光スピントロニクス
スピン流
光起電効果
Crハライド系
非線形応答理論

  1. H. Ishizuka, M. Sato. preprint (arXiv:2111.09007) (2021).

シフト電流は反転対称性の破れた結晶でみられるバルク光起電効果の一種です.この現象は1970年代から知られていますが,ペロブスカイト太陽電池やベリー位相効果との関連から近年再注目されています.本研究では,非平衡グリーン関数法とフロケ理論を用いた理論計算を用いてシフト電流の性質に関する詳細な研究を行っています.これらの研究によって光の照射位置や範囲をデバイスの一部に絞っても電流強度が変化しないこと[1]や,アンダーソン絶縁体でもシフト流が見られることが理論的に明らかになりました[2].これらの結果は,最近の実験(東大 十倉・金澤研,東大 川崎研)を良く再現しています.

Keywords:

シフト電流
非平衡グリーン関数
フロケ理論
アンダーソン絶縁体

  1. H. Ishizuka, N. Nagaosa. New J. Phys. 19, 033015 (2017).

  2. H. Ishizuka, N. Nagaosa. Proc. Natl. Acad. Sci. 118, e2012642118 (2021).

対称性に守られたトポロジカル物質の種類や分類,およびそれらを特徴づける不変量に関しては近年の理論研究によって多くのことが数学的に明らかになっています.一方で,これらのトポロジカル不変量を反映した物理量や実験的測定方法については,量子ホール効果とChern数の対応など,一部の例を除いて知られていません.本研究では,反転対称性のある2次元トポロジカル絶縁体に誘電分極を発生する非線形軌道応答の存在を理論的に予言し,さらにこの軌道応答の符号がZ2不変量の符号を反映することを発見しました.この現象は,1T'遷移金属ダイカルゲナイドなどの2次元トポロジカル絶縁体で観測できると予想されます.

Keywords:

トポロジカル絶縁体
軌道流
非線形応答
テラヘルツ光

  1. M. Davydova, M. Serbyn, H. Ishizuka. Phys. Rev. B 105, L121407 (2022).

2枚のグラフェンを角度をずらして積層させたモアレ構造は超伝導や磁性などグラフェン本来の物性とは大きく異なる性質を示すことから,制御性の高い新しい強相関系として近年注目されています.これらの物質は伝導現象の面でもグラフェンとは異なる性質を示しますが,その原因は良くわかっていません.本研究では,モアレ・グラフェンに特徴的なWannier関数が電子格子相互作用を大幅に増強することを見出しました.これは,量子光学で原子とフォトンの間の相互作用を制御する方法として広く知られているパーセル効果によく似た現象です.この増幅効果により2層グラフェンの電気抵抗や電子格子冷却率が1桁かそれ以上大きくなると予想され,電気抵抗については実験を良く再現します.これらの結果は,パーセル効果による相互作用の増幅効果がモアレ・グラフェンにおける相互作用効果の理解に不可欠なことを示唆するとともに,Wannier関数の制御が物質における相互作用を制御する方法となる可能性を予見させます.

Keywords:

二層グラフェン
パーセル効果
電子格子冷却
電気抵抗

  1. H. Ishizuka, A. Fahimniya, F. Guinea, L. Levitov. Nano Lett. 21, 7465 (2021).

非相反応答は,ダイオードの様に,電圧を右からかけたときと左からかけたときで電流の大きさが変わる現象です.代表例として半導体pn接合(半導体ダイオード)の他,ラシュバ電子系などの反転対称性の破れた結晶構造を持つ半導体物質で見られる電気的カイラル磁気効果があります.カイラル磁気効果は,磁場によるバンドの変形を起源とする為,フェルミ・エネルギーの小さな半導体を中心に研究されてきました.これに対して,磁気散乱を起源とする電気的カイラル磁気効果の機構を提案しました.この現象はバンド構造の変形を伴わない為,金属でも比較的大きな応答が期待できます.また,MnSi(東大 十倉・金澤研)やCrNb2S6(大阪市大 戸川研)でみられる非相反電流の温度・磁場依存性を良く説明できます.

Keywords:

電気的カイラル磁気効果
非相反電流
磁気散乱
スピン・カイラリティ
らせん磁性

  1. H. Ishizuka, N. Nagaosa. Nat. Commun. 11, 2986 (2020).

太陽電池をはじめとした光による電流の整流効果は基礎および応用の両面で盛んに研究されてきました.一方で,電流以外の流束の整流については,ほとんど研究されていません.本研究では,磁性絶縁体におけるスピン流の整流効果を理論的に発見しました.この機構は,反転対称性の破れた半導体で見られる異常光起電効果と類似のメカニズムです.この現象は,反転対称性の破れた1次元スピン鎖のスピノン励起[1]の他,フェリ磁性体のマグノン[2]でも観られます.また,通常のゼーマン結合以外にも,逆ジャロシンスキー・守谷効果や磁歪結合による電子と磁気励起の結合でもみられます.以上の成果は,異常光起電効果の物理の普遍性を示唆します.

Keywords:

非線形応答
スピントロニクス
シフト流
テラヘルツ光

  1. H. Ishizuka, M. Sato. Phys. Rev. Lett. 122, 197702 (2019).

  2. H. Ishizuka, M. Sato. Phys. Rev. B 100, 224411 (2019).

不純物などによる電子の散乱は物質の輸送現象における最も基本的な概念です。非磁性不純物による散乱は電気抵抗の主要因であり、また多数の不純物による多重散乱はアンダーソン局在などの非自明な電子状態を生じます。一方で、磁性不純物による多重散乱の物理についてはよく理解されていません。局在磁気モーメントによる多重磁気散乱を解析した一連の論文[1-3]において、磁気多重散乱による異常ホール効果の性質を詳細に調べました。これらの研究から、多重磁気散乱が有意に現れる綺麗な金属において、0.1に及ぶ大きなホール角が生じること[3]、温度の上昇に伴って大きくなる異常ホール効果がみられること[2]、そしてスピンベリー位相による内因的ホール効果との競合がある場合にホール伝導度の符号反転が見られること[1]などを見出しました。これらの結果は、これまで実験的に知られていたものの微視的理解が得られていなかった異常ホール効果の振る舞いと整合しています。

Keywords:

異常ホール効果
スキュー散乱
スキルミオン
カイラル磁性体
スピン・ホール効果

  1. H. Ishizuka, N. Nagaosa. Sci. Adv. 4, eaap9962 (2018).

  2. Y. Kato, H. Ishizuka. Phys. Rev. Appl. 12, 021001 (2019).

  3. H. Ishizuka, N. Nagaosa. Phys. Rev. B 103, 235148 (2021).

  4. Y. Fujishiro, N. Kanazawa, H. Ishizuka, et al. Nat. Commun. 12, 317 (2021).

  5. M. Uchida, S. Sato, H. Ishizuka, et al. Sci. Adv. 7, eabl5381 (2021).


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