Kyutech物性グループセミナー（アーカイブ）
第55回: 2024年3月27日(水) 13:00-17:10
【場所】九州工業大学戸畑キャンパス・コラボ教育支援棟３階セミナー室
【タイトル】輸送現象の物理
【研究会趣旨】
今回の Kyutech 物性セミナーでは輸送現象をとりあげます。物性物理において輸送現象に関する研究は多くの重要問題を提起してきました。量子ホール効果の発見は物性におけるトポロジーの重要性を示す契機となり, 現在, この分野は物性研究におけるもっとも活発な分野のひとつとなっています。また電気伝導, 熱伝導, 超伝導, スピン伝導などの輸送現象は応用物性の基礎であり, 輸送制御を目指したデバイス開発が日夜なされています。今回の講演会では，輸送現象とこれに関わる物質設計において卓越した業績を挙げておれる二名の外部講演者をお招きして現在の研究の前線についてご講演を頂きます。本学でも量子輸送現象に関して精力的に研究されている二名の先生方にご講演を頂きます。
13:00-13:55
【タイトル】機能性反強磁性体の物質探索
【講演者】有田亮太郎 (東京大学先端科学技術研究センター/教授・RIKEN 創発物性科学研究センター/チームリーダー)
【概要】
異常ホール効果, 異常ネルンスト効果, 磁気光学カー効果など, 時間反転対称性の破れにともなう異常横伝導は, 通常, 磁化の大きな強磁性体で観測される。しかしながら近年, 一様磁化が非常に小さな反強磁性体で大きな異常横伝導を示す物質が発見され, 注目を集めている [1]。このような反強磁性体は, スピントロニクスへの応用も考えられ, 大変興味深い。本講演では, クラスター多極子 [2] を使って磁気構造予測を行い [3], 異常横伝導を示す機能性反強磁性体をハイスループット計算により探索する試み [4] について紹介する。講演の後半では, スピン結晶群を使って, スピン軌道由来の異常横伝導と磁気構造由来の異常横伝導を分離する試み [5] についても紹介したい。
[1] S. Nakatsuji et al., Nature 527, 212 (2015).
[2] M. -T. Suzuki et al., Phys. Rev. B 95, 094406 (2017).
[3] M. -T. Huebsch et al., Phys. Rev. X 11, 011031 (2021).
[4] T. Nomoto et al., submitted.
[5] H. Watanabe et al., arXiv:2307.11560.
13:55-14:30
【タイトル】金属材料におけるスピンホール効果の新展開
【講演者】福間康裕 (九工大院工/教授)
【概要】
スピンホール効果は, 初めに半導体である GaAs の低温光学実験で観測された [1]。その後, 5d 遷移金属である Pt のスピンホール伝導度が GaAs の 10,000 倍にも達し, 室温で明確な電気的信号の観測に成功した [2]。その後, 非熱平衡相である β-Ta や β-W, 合金 PdPt 等でより大きなスピンホール伝導度が報告され, スピン軌道トルク磁化反転を利用した次世代磁気ランダムアクセスメモリの開発へと研究は進展している。本講演では, イオン注入により不純物を添加した白金薄膜のスピンホール効果について紹介する。20 keV 程度のイオン加速にて作製した硫黄 [3], 酸素 [4], 窒素 [5] 添加白金は結晶性の大きな変化はみられず, 外因性要因によりスピンホール角は 0.1～0.3 程度に増加した。一方, 30 keV のイオン加速にて作製したリン添加白金はドーズ量の増加に伴い欠陥が蓄積されスエリングやアモルファス化などの構造変化が生じた。この構造変化に伴いスピンホール角は増加する傾向にあり, トポロジカル絶縁体に匹敵するスピンホール伝導度を実現できる。
[1] Y. K. Kato et al., Science 306, 1910 (2004).
[2] T. Kimura et al., Phys. Rev. Lett. 98, 156601 (2007).
[3] U. Shashank et al., Adv. Quantum Tech. 4, 2000116 (2021).
[4] U. Shashank et al., Appl. Phys. Lett. 118, 252406 (2021).
[5] U. Shashank et al., Phys. Rev. B 107, 064402 (2023).
休憩 (14:30-15:40) <<教授会のため 1 時間10 分休憩>>
15:40-16:35
【タイトル】量子スピン液体におけるマヨラナ粒子と非可換エニオン
【講演者】松田祐司 (京都大学大学院理学研究科物理学専攻/教授)
【概要】
量子スピン液体は, スピン同士が互いに強く相互作用しているにも関わらず絶対零度においても量子ゆらぎによりスピンが凍結しない状態である。この状態は長らく理論の産物であったが, ここ 10 年来いくつかの現実の物質で観測されつつある。そのなかでも２次元ハニカム格子で実現されるキタエフ量子スピン液体は厳密に解ける基底状態を持ち, 電子スピンが分裂することによりマヨラナ粒子や非可換エニオンといった創発準粒子が現れる。非可換エニオンは, 熱擾乱に強いトポロジカル量子コンピューターの鍵となる粒子であり非常に注目を浴びている。ここではキタエフ物質の最有力候補である α-RuCl3 に対する最近の実験結果について述べる。特に半整数熱量子ホール効果 [1,2], ディラックコーン, マヨラナギャップの観測 [3,4] や, 最近行った α-RuCl3 単層膜の走査トンネル顕微鏡による測定 [5] について述べる。
[1] Y. Kasahara et al. Nature 559, 227 (2018).
[2] T. Yokoi et al. Science 373, 568 (2021).
[3] O. Tanaka et al. Nature Phys. 18, 429 (2022).
[4] K. Imamura et al. Science Adv. in press.
[5] Y. Kohsaka et al. a preprint.
16:35-17:10
【タイトル】量子ホール効果を基準に考察するトポロジカル物質科学の進展について
【講演者】大熊信之 (九工大院工/准教授)
【概要】
磁場下の 2 次元電子系においてホール伝導度が量子化される「量子ホール効果」は, 量子物性におけるトポロジー (位相幾何学) の重要性を示した最初期の例である。量子ホール効果を皮切りに様々なトポロジカル状態が発見・分類され, その特異な輸送特性に注目が集まっている [1]。トポロジカル状態を大別すると,「対称性に保護されたトポロジカル相」と「トポロジカル秩序」の2つに分けられる。 ホール伝導度が整数に量子化される「整数量子ホール効果」は前者の, 分数に量子化される「分数量子ホール効果」は後者の先駆的な例として位置付けられ, 両者は似て非なる物理的背景を持つ。本講演では, 整数・分数量子ホール効果を基準点と見なし, 以降のトポロジカル物質科学の進展を量子ホール効果との対比の中で解説する。後半では, 磁場の代わりにバンド構造の幾何学的性質を用いて分数量子ホール効果を実現する「分数チャーン絶縁体」に関する自身の最近の研究 [2, 3] も紹介する。
[1] M. Z. Hasan and C. L. Kane, Rev. Mod. Phys. 82, 3045 (2010).
[2] N. Okuma and T. Mizoguchi, Phys. Rev. Research 5, 013112 (2023).
[3] N. Okuma (in preparation).
第54回: 2023年11月29日(水) 14:40-16:10
【場所】九州工業大学戸畑キャンパス・コラボ教育支援棟３階セミナー室A、B (Zoom にて同時中継)
【講演者】Prof. Marc De Boissieu (SIMAP, Universite Grenoble Alpes, CNRS, France)
【タイトル】Thermal conductivity and lattice dynamics in structurally complex materials
【概要】
Understanding the lattice thermal conductivity of materials is of key importance in various fields of material science: for thermoelectric, thermal barriers, thermal transport… Whereas it is well understood for simple atomic structures, it remains a challenging question for structurally complex materials.
In this lecture I will focus on those materials displaying a `glass like thermal conductivity' [1], with a relatively small value of the lattice thermal conductivity at ambient temperature and an almost independent temperature dependence in the range 20 to 300 K. This is the case for many different systems such as amorphous materials, disordered periodic crystals [1], clathrates [2], but also aperiodic crystals [3] such as the icosahedral quasicrystal i-AlPdMn [4], and the Rb2ZnCl4 phase that displays an incommensurately modulated phase between 190 and 300 K [5].
All these structures can be characterized by what can be named ‘structural complexity’. I will first introduce the notion of structural complexity which can be characterized by two main parameters: (i) the long range order and the number of atoms in the unit cell (which goes to infinity for aperiodic crystals); (ii) the disorder that breaks the long range order and may occur as chemical site disorder or lattice displacement, with in the extreme case of amorphous systems the absence of long range order.
I will then review some of the recent results obtained in different materials by combining state of the art inelastic x-ray and neutron scattering with atomic scale simulation. We will show that phonons do not behave at all as in a glass: there is a restricted energy range for which acoustic phonons do propagate, with a rather large mean free path. A simple phonon lattice gas model as proposed for clathrates [2] can be generalized to interpret the data and resolve the apparent paradoxal findings. The importance of including properly the disorder in large atomic scale simulation will also be discussed [6].
[1] D. G. Cahill, S. K. Watson, and R. O. Pohl, Phys. Rev. B 46, 6131 (1992).
[2] P.-F. Lory et al., Nat. Com. 8, 491 (2017).
[3] T. Janssen, G. Chapuis, and M. de Boissieu, Aperiodic Crystals. From modulated phases to quasicrystals (second edition) (Oxford University Press, Oxford, 2018), Vol. 20, IUCr Monographs on Crystallography.
[4] M. A. Chernikov, A. Bianchi, and H. R. Ott, Phys. Rev. B 51, 153 (1995).
[5] D.-M. Zhu and A. C. Anderson, J. Low Temp. Phys. 94, 117 (1994).
[6] P. F. Lory et al., Phys. Rev. B 102, 024303, 024303 (2020).
第53回: 2023年11月14日(火) 16:30-18:30
【場所】九州工業大学戸畑キャンパス・総合研究1号棟2F S-2A (Zoom にて同時中継)
【講演者】播磨尚朝 (神戸大学大学院理学研究科物理学専攻・教授)
【タイトル】結晶の対称性と電子状態: スピン軌道結合と隠れた秩序
【概要】
結晶中の電子状態は結晶の対称性による制約を受ける。近年, 空間反転対称性のない結晶による電気磁気応答の研究が盛んに行われているが, それは反転対称性のない結晶中の電子状態は一般にスピン自由度による縮退が解けることに由来する。このスピン分裂が起きるためには相対論的なスピン軌道結合が必要であるが, 分裂の大きさを決める要因は単純ではない。この分裂は, 広く「反対称スピン軌道相互作用」と呼ばれているが, 正しくは「パリティ混合分裂」と呼ぶべきものである。本講演の前半では, 価電子の相対論的スピン軌道結合の大きさを議論し,「パリティ混合分裂」の起源を議論する [1]。講演の後半では, 電子状態の対称性は結晶構造の対称性よりも低くなり得ることを示し, URu2Si2などのウラン化合物で見られる「隠れた秩序」がなぜ隠れているか, について解説する [2]。さらに, 希土類化合物も含む f 電子系において, 隠れた秩序を示す可能性のある物質について紹介する。
[1]「結晶内電子状態のスピン自由度による縮退と分裂 (Keyword: スピン軌道結合)」播磨尚朝, 日本物理学会誌 78 No. 5 (2023) 254-255.
[2] "Hidden-orders of uranium compounds", H. Harima, SciPost Phys. Proc. 11 (2023) 006.
第52回: 2022年1月6日(木) 16:30-18:00
【場所】オンライン
【講演者】山地洋平 (物質・材料研究機構 エネルギー・環境材料研究拠点)
【タイトル】銅酸化物における高温超伝導をもたらす引力の痕跡
【概要】
バーディーン-クーパー-シュリーファーの超伝導理論 [1] が証明される過程で，電子の運動の履歴を示す自己エネルギーは重要な役割を担いました。トンネル分光実験から抽出された自己エネルギーを解析することで，クーパー対の形成に必要な引力が，量子化された格子振動であるフォノンによって媒介されたものであることが示されました [2,3]。銅酸化物高温超伝導体についても，高い転移温度に見合う強い引力の痕跡が長年探し求められて来ましたが，未だに議論が続いています。我々は，理論方程式（エリアシュベルグ方程式）を用いて実験データを再現する従来の方法 [2,3] に代わって，あらゆる関数を表現できる人工ニューラルネットワーク[4,5]を用いた回帰分析を行いました。これにより，銅酸化物高温超伝導体について，実験データを精密に再現する2成分の自己エネルギーを決定することに成功しました [6]。自己エネルギーには『正常成分』と『異常成分』の２成分があり，後者に引力の痕跡が含まれていることがわかっています。得られた自己エネルギーの解析から，２つの成分に現れる強い電子間の散乱（正常成分）と強い引力（異常成分）の影響が，実験データでは見かけ上相殺するために隠れてしまい，引力の痕跡が観測されなかったことがわかりました。今回得られた成果は，高温超伝導の起源を解明する手掛かりになることが期待されます。さらにセミナーでは，数値シミュレーションをも取り入れた分光学への将来展望についてもご紹介します。
[1] J. Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, Phys. Rev. 108, 1175 (1957).
[2] J. R. Schrieffer, D. J. Scalapino, and J. W. Wilkins, PRL. 10, 336 (1963).
[3] J. M. Rowell, W. L. McMillan, and W. L. Feldmann, Phys. Rev. B 3, 4065 (1971).
[4] D. H. Ackley, G. E. Hinton, and T. J. Sejnowski, Cognit. Sci. 9, 147 (1985).
[5] P. Smolensky, Information processing in dynamical systems: Foundations of harmony theory, in ParallelDistributed Processing:
Explorations in the Microstructure of Cognition, Volume 1: Foundations, edited by D. E. Rumelhart, J. L. McClelland, and the PDP Research Group (The MIT Press, Cambridge, 1986), pp. 194–281.
[6] Y .Yamaji, T. Yoshida, A. Fujimori, and M. Imada, Phys. Rev. Research 3, 043099 (2021).
第51回： 2020年3月27日(火) (新型コロナウイルスのため延期) → 2023年3月28日(火) 13:30-17:10
【場所】九州工業大学戸畑キャンパス・コラボ教育支援棟３階セミナー室 (Zoom にて同時中継)
【タイトル】物質科学における実験と理論
【研究会趣旨】
今回の Kyutech 物性セミナーでは物質科学をとりあげます。物質・材料の特性・機能を調べたり，あるいは, そこで得た理解を応用して物質の新機能の開拓や機能向上のための方策を研究したりする分野が「物質科学」です。現在, 物質科学研究では, 理論と実験がチームを組んで研究課題に取り組むことが一般化しています。理論研究者と実験研究者が共同の具体的目標に向かって知恵を絞り,「チームとしての最大限の力」を発揮することが求められています。今回の講演会では, こうしたチーム研究を主導的に行ない, 表面・界面科学, スピントロ二クス, 鉄鋼材料研究など物質科学の様々な分野で大きな成果を上げられてきた方々に御講演を頂きます。物質科学研究で成功するための研究グループのあり方が分かるはずです。
13:30-14:20
【タイトル】表面構造研究における実験と計算の協奏
【講演者】尾崎泰助 （東大物性研/教授)
【概要】
炭素からなる蜂の巣構造: グラフェンは熱力学的にも安定な構造ですが, そのシリコン版であるシリセンは理論的な観点から仮想構造として研究されてきたものです。しかし近年, 理論的な産物であったシリセン構造が金属基板上で実験的にも見出されています。またそれに続いてジャーマネンやボロフェン等の新しい二次元物質も次々に実験的に発見されています。第一原理計算はこれらの新規二次元物質の結晶構造・電子構造の解明において重要な役割を果たしてきました。表面構造研究における実験と計算の協奏に関して第一原理計算の立場から我々の研究 [1-7] を紹介致します。
[1] 高村（山田）由起子，尾崎泰助，応用物理学会誌 第86巻 第6号 488 (2017).
[2] T. Ozaki and C.-C. Lee, Phys. Rev. Lett. 118, 026401 (2017).
[3] A. Fleurence et al., Phys. Rev. Lett. 108, 245501 (2012).
[4] C.-C. Lee el al., Phys. Rev. B 95, 115437 (2017).
[5] C.-C. Lee et al., Phys. Rev. B 97, 075430 (2018).
[6] K. Yamazaki et al., J. Phys. Chem. C 122, 27292 (2018).
[7] C.-C Lee et al., Phys. Rev. B 100, 045150 (2019).
14:20-15:10
【タイトル】磁気異方性の制御
【講演者】小田竜樹 (金沢大理工/教授)
【概要】
磁性材料は, その不揮発性と省エネルギー性から社会生活に必要不可欠である。その基礎物性量である磁気異方性エネルギーを現代科学の第一原理から評価することが可能となってきた。物質中電子のスピン状態と軌道運動状態を間接的に変えることで異方性を制御する。磁気メモリ材料開発へ貢献する計算物質科学研究の一端を紹介する。
15:10-15:40
【タイトル】カイラル磁性体のカイラルソリトン格子形成における非平衡磁化
【講演者】美藤正樹 (九工大院工/教授)
【概要】
一軸的ジャロシンスキー・守谷 (D-M) 相互作用ベクトルを有するカイラル磁性体において, らせん軸に垂直に直裕磁場を印加すると強磁性配列の中にソリトンが周期的には並んだカイラルソリトン格子 (CSL) なる磁気超格子構造が安定化される。この磁気超格子構造はスピンデバイスの舞台になり得る可能性を秘めている。2012 年の戸川らのローレンツ TEM による CSL の観察以降, CSL の物性に関する数多くの研究が行われてきたが「ソリトンが結晶内で生成消滅するのか？もしくは試料表面を通じて出入りするのか？」については実験的裏付けがなかった。一軸カイラル磁性体である CrNb3S6 と MnNb3S6 に関する系統的な磁気測定の結果と, それらの実験をモデルとした LLG 計算の結果を通じて, ソリトンが「速度」という物理量を有し試料表面を通じて出入りすることを説明する。
休憩 (15:40-15:50)
15:50-16:40
【タイトル】第一原理電子状態計算手法の開発
【講演者】吉本芳英 (東大院情報理工/准教授)
【概要】
物質の電子状態を計算する手法には様々なものがあり, その中でも密度汎関数法, 平面波基底, 擬ポテンシャルの組み合わせによるものは汎用性と経済性に優れ幅広く利用されており, 著者もこの系統のソフトウエアを開発してきている。この講演では, 差分法によるフォノンの計算手法の改良など著者が近年行ってきた手法拡張の研究を紹介する。
16:40-17:10
【タイトル】高圧巨大ひずみ加工に伴う同素変態挙動のその場観察
【講演者】堀田善治 (九工大院工/特任教授)
【概要】
巨大ひずみ加工を高圧下で行うことにより, 抜圧後でも高圧相を常圧で存在させることが可能となる。純 Ti や ZnO で生じるこのような同素変態挙動を SPring-8 の高輝度 X 線を使ってその場解析した。転位など格子ひずみで生じた内部応力が高圧相の安定化にかかわることが示された。