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 理学部　物理学科　物性理論教室
 Condensed Matter Theory Laboratory

教授：
　　河原林　透
准教授：
　　大江　純一郎
■ 概要
はじめに
当研究室では，主として固体中の電子の挙動によって決められる物性を，理論的に研究している。特に，通常の3 次元的物質とは異なる性質を示す低次元物質（電子の運動できる空間が1 次元や2 次元に制限されているもの，構造上2 次元系として近似できる系等）の研究に力を注いでいる。物質中の不純物や不規則構造に電子が散乱されること等，物質の不規則性が物性にどの様に反映されるか，低次元物質に特有の局所的励起が物質の伝導特性にどの様な影響を及ぼすか等に関して，様々な成果を得ている。2011年度からは、大江講師が加わり、スピントロニクスの理論的研究で多くの成果を上げている。最近では，グラフェンや有機導体などの相対論的ディラック電子に対する研究も行っている。
１．２次元ディラック電子系の量子特性の理論的研究
単層グラファイト（グラフェン）の実現により、２層グラフェンをはじめ、有機導体やトポロジカル絶縁体など特異なバンド構造（相対論的な分散関係）をもつ物質が注目を集め、その基礎特性や応用の可能性について世界的に精力的な研究が行われている。近年は、こうした２次元性の強い原子膜を積層させて、これまでにない新たなデバイスの合成に向けての研究が物理、化学、医療といった多方面に展開されている。本研究では、こうした特異なバンド構造を持つ低次元物質の輸送現象における、不純物ポテンシャルや格子歪みなどによる乱れの効果および電子間相互作用の効果を、精密な数値計算に基づいて定量的に明らかにし、実験結果を理論的に解明するとともに、基礎特性やデバイスへの応用に対する新たな知見を得ることを目的としている。
　具体的には、Kernel Polynomial法を用いることにより、ケクレ型ボンド秩序のあるグラフェンにおける高次のwinding numberをもつトポロジカルな欠陥（vortex）近傍の局所状態密度に対する数値的研究をさらに進め、staggered potentialによってカイラル対称性が破られている場合に現れる非分数電荷が、ランダムネスに対して安定性を示すのかについて調べた。その結果、staggered potentialがある場合でも、非分数電荷は、カイラル対称性を壊さないようなランダムネスに対して強い安定性を示すことがわかった。（学会発表２件）
　その一方で、格子模型に対しても、一般化されたカイラル対称性が厳密に定義できることを示し、一般的な理論的枠組みを構築するとともに、カイラル対称な格子模型から、ハミルトニアンに対する代数的な変形により、傾いたディラック電子系が連続的に生成できることを具体的に示した。これを用い、fermion-vortex系のゼロエネルギー状態を、傾いたディラック電子系へ拡張することが、格子模型のレベルで可能であることを示した。（論文１報、学会発表２件）
２．一次元螺旋磁性体中のスピン流とトポロジカル磁気抵抗効果
実験系における一次元螺旋磁性体の磁化構造を再現するため、LLG方程式の時間発展を計算した。磁性体中の相互作用として、最近接磁化の強磁性相互作用、DM相互作用、外部磁場を考慮した。1軸性のDM相互作用によって、一次元螺旋磁性体が再現でき、螺旋周期は強磁性相互作用の強さAとDM相互作用の強さDの比によって決定される。この螺旋磁化構造はDM相互作用の符号によって、右手系・左手系のようなカイラリティを有する。このカイラリティは通常、ローレンツ顕微鏡のような工学手法を用いて測ることができる。今回の研究で、このカイラリティを伝導現象から測定できることを明らかにした。まず螺旋磁性体中を透過する電子のスピン分極率を、グリーン関数を用いて計算した。計算によって、螺旋磁性体のキラリティに依存した付加的なスピン分極が現れることが明らかになった。このスピン分極は磁化の向きとは垂直向きに現れる。今回は、X-Y平面状に形成された螺旋磁性体から、X方向のスピン分極が得られた。また、異なるカイラリティを有する螺旋磁性体の接合系を考えた。電気伝導度の計算によって、同じカイラリティを持つ接合系に比べて、電気伝導度が著しく低下することが明らかになった。これは一様な磁化の接合系における磁気抵抗効果（GMR）の螺旋磁性体版となっており、新しいトポロジカル磁気抵抗効果ということができる。これらの研究論文を、本学の修士課程の学生と共著で、Phys. Rev. B誌に投稿、掲載された。また、複数の会議において、招待講演などを行った。
■ 当該年度の研究費受入状況
1.  基盤研究（C）
 研究課題：ディラック粒子系の量子輸送現象におけるカイラル対称性の効果  (研究代表者：河原林透)
 研究補助金：600000円  (代表)
2.  基盤研究（S）
 研究課題：トポロジカル相でのバルク・エッジ対応の多様性と普遍性： 固体物理を越えて分野横断へ  (研究分担者：河原林透)
 研究補助金：2100000円  (分担)
■ 当該年度研究業績数一覧表
研究者名 刊行論文 著書 その他 学会発表 その他
発表
和文英文 和文英文 国内国際
筆
頭		共
著		筆
頭		共
著		 筆
頭		共
著		筆
頭		共
著		 筆
頭		共
著		 演
者		共
演		演
者		共
演		 演
者		共
演
河原林　透   教授
   1           2
  1
  2
(2) 		 1
  
  
大江　純一郎   准教授
    1          3
  6
  1
  1
  
  
計  0／ 1／  0／ 0／  0／  5
(0)		／  3
(2)		／  0
(0)		／
研究者名 刊行論文 著書 その他 学会発表 その他
発表
和
文		英
文		 和
文		英
文		 国
内		国
際
筆
頭		筆
頭 		筆
頭		筆
頭 		筆
頭		 演
者		演
者 		演
者
河原林　透   教授
  1       2
  2
(2) 		 
大江　純一郎   准教授
         3
  1
  
計  0 1  0 0  0  5
(0)		  3
(2)		  0
(0)
(  )：発表数中の特別講演、招請講演、宿題報告、会長講演、基調講演、受賞講演、教育講演(セミナー、レクチャーを含む)、シンポジウム、パネル(ラウンドテーブル)ディスカッション、ワークショップ、公開講座、講習会 (  )：発表数中の特別講演、招請講演、宿題報告、会長講演、基調講演、受賞講演、教育講演(セミナー、レクチャーを含む)、シンポジウム、パネル(ラウンドテーブル)ディスカッション、ワークショップ、公開講座、講習会
■ 刊行論文
原著
1. Hiroki Watanabe, Koujiro Hoshi, and Jun-ichiro Ohe：  Chirality-induced spin current through spiral magnets.  Phys. Rev. B  94 ：125143 , 2016
2. T. Kawarabayashi, H. Aoki, Y. Hatsugai：  Lattice realization of generalized chiral symmetry in two dimensions.  Physical Review B  94 ：235307 , 2016
■ 学会発表
国内学会
1. 水口将輝, 長谷川浩太, 高梨弘毅, 大江純一郎： FePt 規則合金薄膜中のスピン波励起異常ネルンスト効果.  日本物理学会,  大阪大学,  2017/03
2. 杉浦拓海, 大江純一郎： ナノポーラス磁性体におけるマグノンの拡散.  日本物理学会,  大阪大学,  2017/03
3. 星幸治郎, 大江純一郎： 熱勾配励起のマグノン散乱による電気伝導の変化.  日本物理学会,  大阪大学,  2017/03
4. 大江純一郎, 水口将輝： 熱勾配下で励起されるスピン波と異常ネルンスト効果に対する数値的研究.  日本物理学会,  大阪大学,  2017/03
5. 嶋田裕樹, 大江純一郎： 磁気スカーミオン上のマグノンホール効果によるスピン起電力.  日本物理学会,  大阪大学,  2017/03
6. ◎河原林透、青木秀夫、初貝安弘： 格子模型の擬ゼロモードのトポロジカル安定性.  日本物理学会第７２回年次大会,  大阪、日本,  2017/03
7. ◎板垣諒、初貝安弘、青木秀夫、河原林透： 二次元ディラック電子系のvortexに伴う非分数電荷のランダムネスに対する安定性.  日本物理学会２０１６年次秋季大会,  金沢、日本,  2016/09
8. ◎河原林透、初貝安弘、青木秀夫： 傾いたディラック電子を持つ格子模型の連続変形.  日本物理学会２０１６年次秋季大会,  金沢、日本,  2016/09
9. 星幸治郎、大江純一郎： 螺旋磁性体中を流れるスピン流に対するスピン軌道相互作用の影響.  日本物理学会,  金沢大学,  2016/09
10. 大江純一郎, 渡辺広紀, 星幸治郎： 螺旋磁性体を用いた磁気抵抗効果に対する理論的研究.  日本物理学会,  金沢大学,  2016/09
11. 嶋田裕樹、大江純一郎： 磁気スカーミオン上に誘起される交換スピン波と集団励起の関係.  日本物理学会,  金沢大学,  2016/09
12. Jun-ichiro Ohe： Topologically protected spin-wave propagation in magnonic crystals.  キラルグループ研究進捗報告会,  Saga, Japan,  2017/02
国際学会
1. ◎R. Itagaki, H. Aoki, Y. Hatsugai, T. Kawarabayashi： Irrational charges of fermion-vortex systems: robustness against disorder.  the Yukawa Institute for Theoretical Physics (YITP) international workshop "Physics of bulk-edge correspondence and its universality: From solid state physics to cold atoms",  Kyoto, Japan,  2016/09
2. ◎T. Kawarabayashi： Deformation of Dirac fermions with invariant zero modes.  the Yukawa Institute for Theoretical Physics (YITP) international workshop "Physics of bulk-edge correspondence and its universality: From solid state physics to cold atoms",  Kyoto, Japan,  2016/09
3. Yuhki Shimada, and Jun-ichiro Ohe： Numerical study on the collective motion of the antiferromagnetic skyrmion.  Joint European Magnetic Symposia (JEMS),  Glasgow, UK,  2016/08
4. Jun-ichiro Ohe, and Yuhki Shimada： Spin motive force driven by spin wave in chiral magnets.  Joint European Magnetic Symposia (JEMS),  Glasgow, UK,  2016/08
5. ◎T. Kawarabayashi, H. Aoki, Y. Hatsugai： Zero modes of two-dimensional tilted Dirac fermions with vortices.  Graphene week 2016,  Warsaw, Poland,  2016/06
  ＊：Corresponding Author
  †：本学研究者