マクロな時間反転対称性の破れた反強磁性体の物質設計と電気的制御

宏观时间反演对称性破缺的反铁磁体材料设计与电控

• 批准号: 21H04440
• 负责人: 関 真一郎
• 金额: $ 27.54万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04440/
• 关键词: スピントロニクス

本研究では、これまで実験的に未開拓だった時間反転対称性の破れた反強磁性体の集中的な探索を行うとともに、その特異な仮想磁場の存在から期待される様々な物質機能（通常の反強磁性体では不可能と考えられてきた「↑↓」「↓↑」状態の電気的な読み出し・書き込み等）を実証することを目指している。本年度は、このような機能を実現する新物質を設計するための一般的な指針を確立するため、群論に基づく網羅的・系統的な対称性の解析と、物質構造データベースと照らし合わせた具体的な候補物質の抽出を行った。この結果をもとに、実験的な物質合成・磁気輸送特性の評価を進めた結果、当初の狙い通り、時間反転対称性の破れに起因した異常ホール効果を室温で生じる、新たな反強磁性物質を発見することに成功した。さらに、関連して第一原理計算を行った結果、この物質中では時間反転対称性の破れた反強磁性秩序相において、ベリー曲率の総和がキャンセルせずに生き残ることで仮想磁場の役割を果たし、これが異常ホール効果の起源となっていることが明らかになった。上記の結果は、対称性に立脚した物質設計指針が非常に有効に機能することを示しており、今後さらに巨大な応答を示す新物質の開拓が期待される。また、室温動作可能な新物質の発見は、強磁性体中の磁化が従来担ってきた様々な物質機能を反強磁性体中の仮想磁場によって置き換えた、反強磁性スピントロニクスの実現可能性を強く示唆しており、電気的・光学的なアプローチを通じた更なる制御手法の開拓も期待できると考えられる。

在这项研究中，我们将深入研究迄今为止尚未通过实验探索的具有破缺时间反转对称性的反铁磁材料，以及各种材料功能（通常我们的目标是演示``↑↓ ”和“↓↑”状态，这被认为对于反铁磁材料是不可能的。今年，为了建立设计实现这些功能的新材料的通用准则，我们将基于群论进行全面、系统的对称性分析，并与材料结构数据库进行比较，提取候选物质。基于这一结果，我们继续进行实验材料合成和磁输运特性评估，结果发现了一种新的反铁磁材料，该材料如最初预期的那样，由于时间反转对称性的破缺而在室温下产生反常霍尔效应。成功发现物质。此外，通过相关的第一性原理计算，我们发现在这种材料中，在时间反转对称性破缺的反铁磁有序相中，贝里曲率之和仍然存在而没有抵消，并起到了虚拟磁场的作用。很明显，这就是异常霍尔效应的起源。上述结果表明，基于对称性的材料设计准则非常有效，我们希望未来能够开发出表现出更大响应的新材料。此外，一种可以在室温下工作的新材料的发现极大地提高了实现反铁磁自旋电子学的可能性，其中反铁磁材料中的虚拟磁场取代了传统上由铁磁材料中的磁化执行的各种材料功能。我们可以期望通过电气和光学方法开发进一步的控制方法。

项目成果

Coupling microwave photons to topological spin textures in Cu2OSeO3

将微波光子与 Cu2OSeO3 中的拓扑自旋纹理耦合

• DOI: 10.1103/physrevb.104.l100402
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 3.7
• 作者: Khan S.;Lee O.;Dion T.;Zollitsch C. W.;Seki S.;Tokura Y.;Breeze J. D.;Kurebayashi H.
• 通讯作者: Kurebayashi H.

Karlsruhe Institute of Technology/Technical University of Munich(ドイツ)

卡尔斯鲁厄理工学院/慕尼黑工业大学（德国）

Hybridized magnon modes in the quenched skyrmion crystal

淬火斯格明子晶体中的杂化磁振子模式

• DOI: 10.1103/physrevb.104.144410
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 3.7
• 作者: Takagi Rina;Garst Markus;Sahliger Jan;Back Christian H.;Tokura Yoshinori;Seki Shinichiro
• 通讯作者: Seki Shinichiro

University College London/Imperial College London(英国)

伦敦大学学院/伦敦帝国学院（英国）