Study of Magneto-Optical Phenomena in Topological Magnets due to Magneto-Electric Effects

磁电效应拓扑磁体磁光现象的研究

基本信息

批准号：
22H01171
负责人：
古川信夫
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Aoyama Gakuin University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

トポロジカルな磁気構造を持つ磁気スカーミオンの磁気光学応答を明らかにするためにDM相互作用が大きな系で量子スカーミオンを数値的に求め、古典系と同様にトポロジカル電荷によってスカーミオンが特徴づけられることを確認した。量子子スピン系における磁気励起に伴う電場応答を明らかにするため、厳密対角法を用いて、Shastry-Sutherland模型におけるダイマー一重項相の磁気励起の電場活性過程について解析を行い、実験で観測されている共鳴のピーク位置および選択則を説明することに成功した。量子スピン1/2の反強磁性ハミルトニアンを強磁性体で実現する理論を明らかにした。ハミルトニアンは複雑になるが、これによって例えばスピン1/2反強磁性ハイゼンベルグ三角格子の量子スピン液体状態やその磁気励起状態を内包する強磁性ハミルトニアンが理論的に作成可能になる。その状態はマクロな縮退を持ち、自発的対称性の破れにより選ばれた状態はイジング状態とは異なり、元の量子スピン液体状態と同じ量子もつれをもつことが解明された。強いスピン軌道相互作用（SOC）を持つ量子多体系の研究はトポロジカル相や磁気光学効果を理解するために重要である。原子気体を用いた人工的なSOC系を想定し、SOCの強さや運動量方向の自由度に対する格子Bose量子系の基底状態の振る舞いを求めた。異なる波数に凝縮した、固体結晶秩序と超流動秩序が共存した超固体状態が形成され、さらにその凝縮波数（固体秩序波数）のSOCパラメータ依存性が「悪魔の階段」と呼ばれる特異なフラクタル構造を取ることが明らかになった。大規模量子スピン系に対する厳密対角化手法QS3において、摂動外場の印加に対する系の磁気応答を検証するための機能を追加した。また、電磁場に対する系のダイナミクスをテンソルネットワーク法で高度に検証するため、これの構造最適化を開発した。

为了阐明具有拓扑磁结构的磁性斯格明子的磁光响应，我们对具有大DM相互作用的系统中的量子斯格明子进行了数值确定，并证实了斯格明子具有与经典系统类似的拓扑电荷特征。为了阐明量子自旋系统中与磁激发相关的电场响应，我们采用精确对角法分析了Shastry-Sutherland模型中二聚体单线相的磁激发电场激活过程，并进行了实验研究。观察到我们成功地解释了共振峰位置和选择规则。我们阐明了在铁磁体中实现具有量子自旋 1/2 的反铁磁哈密顿量的理论。尽管哈密顿量很复杂，但理论上可以创建例如自旋1/2反铁磁海森堡三角晶格的量子自旋液态和包括其磁激发态的铁磁哈密顿量。揭示该态具有宏观简并性，自发对称破缺选择的态与伊辛态不同，与原始量子自旋液态具有相同的量子纠缠。具有强自旋轨道耦合（SOC）的量子多体系统的研究对于理解拓扑相和磁光效应具有重要意义。假设使用原子气体的人造 SOC 系统，我们研究了晶格玻色量子系统的基态相对于 SOC 强度和动量方向自由度的行为。形成固体晶序和超流序共存的超固态，在不同的波数处凝聚，而凝聚波数（固序波数）对SOC参数的依赖性创造了一种独特的分形结构，称为“魔鬼的阶梯”很明显他会接受它。在大规模量子自旋系统的精确对角化方法QS3中，我们添加了一个函数来验证系统对微扰外场应用的磁响应。此外，为了利用张量网络方法高度验证系统响应电磁场的动力学特性，我们对该方法进行了结构优化。