Emergent impedance due to antiferromagnetic domain wall dynamics

山根 結太*; 中根 丈太郎*; 荒木 康史; 家田 淳一

Physical Review B, 113(1), p.014421_1 - 014421_7, 2026/01

https://doi.org/10.1103/kdrj-39s7

We theoretically investigate emergent impedance induced by domain-wall dynamics in antiferromagnets. Emergent impedance, arising from a combined action of spin-transfer torque and spinmotive force, was previously predicted and observed in spiral magnets. Here we develop a formalism for the electrical response of an antiferromagnetic domain wall under ac currents, and obtain analytical expressions for the resulting emergent impedance. We find that two dynamical modes play separate roles in the emergent impedance: Translational motion of the domain-wall center generates a contribution proportional to its velocity, analogous to that arising from the corresponding motion of a spiral magnet. Another contribution, unique to antiferromagnetic domain walls, originates from the time-dependent canting of the sublattice magnetizations localized within the moving domain wall, whose magnitude is inversely proportional to the antiferromagnetic exchange coupling constant. The competition between these two distinct contributions determines the sign and magnitude of the imaginary part of the emergent impedance at sub-resonant frequencies. Our results provide a fundamental insight into electron transport in antiferromagnets, and open avenues for novel antiferromagnet-based spintronics devices.

Studies of nuclear criticality safety of fuel debris using the modified STACY critical assembly

郡司 智; 荒木 祥平; 吉川 智輝; 新垣 優; 會澤 栄寿; 関 真和; 石井 淳一; 井澤 一彦; 柴 茂樹*; 岩橋 大希*

Proceedings of Nuclear Criticality Safety Division 2025 Conference (NCSD 2025) (Internet), p.90 - 99, 2025/09

The details of the fuel debris generated in the TEPCO's Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Station accident are still not fully understood, and its critical properties are being evaluated using nuclear calculations with various parameters. On the other hand, criticality experiments are required to validate these computations because the fuel debris contains materials such as concrete for which nuclear data is not well evaluated and has heterogeneous and non-uniform compositions. For this purpose, the critical assembly STACY was modified from a solution fuel system to a light water-moderated heterogeneous system. This modification was completed at the end of 2023, and the operation restarted in the spring of 2024. To simulate the criticality characteristics of the fuel debris, 70 rod-shaped samples of concrete composition and stainless steel with the same diameter as the UO fuel rods were prepared, and equipment was also installed to prepare pellet-shaped samples and load them into the experimental core. The results of these experiments simulating fuel debris characteristics were analyzed using the MCNP6 code and the JENDL nuclear data libraries, and it was shown that these nuclear calculations are valid for evaluating the criticality characteristics of fuel debris.

Single-layer spin-orbit-torque magnetization switching due to spin berry curvature generated by minute spontaneous atomic displacement in a Weyl oxide

堀内 皓斗*; 荒木 康史; 若林 勇希*; 家田 淳一; 山ノ内 路彦*; 他7名*

Advanced Materials, 37(26), p.2416091_1 - 2416091_9, 2025/07

https://doi.org/10.1002/adma.202416091

Spin Berry curvature characterizes the band topology as the spin counterpart of Berry curvature and is crucial in generating novel spintronics functionalities. By breaking the crystalline inversion symmetry, the spin Berry curvature is expected to be significantly enhanced; this enhancement will increase the intrinsic spin Hall effect in ferromagnetic materials and, thus, the spin-orbit torques (SOTs). However, this intriguing approach is not applied to devices; generally, the spin Hall effect in ferromagnet/heavy-metal bilayer is used for SOT magnetization switching. Here, SOT-induced partial magnetization switching is demonstrated in a single layer of a single-crystalline Weyl oxide SrRuO (SRO) with a small current density of . Detailed analysis of the crystal structure in the seemingly perfect periodic lattice of the SRO film reveals barely discernible oxygen octahedral rotations with angles of near the interface with a substrate. Tight-binding calculations indicate that a large spin Hall conductivity is induced around small gaps generated at band crossings by the synergy of inherent spin-orbit coupling and band inversion due to the rotations, causing magnetization reversal. The results indicate that a minute atomic displacement in single-crystal films can induce strong intrinsic SOTs that are useful for spin-orbitronics devices.

Intrinsic spin Nernst effect in topological Dirac and magnetic Weyl semimetals

松下 太樹*; 小沢 耀弘*; 荒木 康史; 藤本 純治*; 佐藤 昌利*

Physical Review B, 111(24), p.245131_1 - 245131_11, 2025/06

https://doi.org/10.1103/dlt5-zxm9

We investigate the intrinsic spin Nernst effect (SNE), a transverse spin current induced by temperature gradients, in topological Dirac semimetals (TDSMs) and magnetic Weyl semimetals (MWSMs) with Ising spin-orbit coupling. The intrinsic SNE is described by the spin Berry curvature, which reflects the geometric nature of TDSMs and MWSMs. We clarified that the intrinsic SNE becomes significant when the Fermi energy is near, but slightly deviates from, the energy of the point nodes. In this situation, Bloch electrons with strong spin Berry curvature contribute to the SNE while avoiding carrier compensation between electrons and holes. We found that in TDSMs with small Fermi surfaces, the spin Nernst angle, which measures the efficiency of the SNE, is larger than that observed in heavy metals. This suggests that TDSMs with small Fermi surfaces can achieve efficient heat-to-spin current conversion. In MWSMs, variation in the magnitude of the exchange coupling with magnetic moments significantly changes the SNE, affecting both the direction and magnitude of the spin Nernst current. This implies that ferromagnetic transitions can be used to reverse the spin Nernst current. These results provide the fundamentals for future topological spin caloritronics.

強磁性SrRuOのワイル電子を活用したスピン制御

荒木 康史; 家田 淳一

まぐね, 20(1), p.12 - 17, 2025/02

スピントロニクスにおいて、スピンの電気的操作に際して発生する電力損失は大きな課題である。このジュール発熱を回避する過程として、我々は電子状態のトポロジカル構造を組み込んだ電場誘起スピントルクの理論を構築した。このトポロジカルな寄与は散逸の影響を受けず、従来のスピン移行トルクに比べて単位電流あたりのトルク効率を著しく向上させる。本原理によるスピントルクの発現は、トポロジカルな電子系の典型例である「ワイル電子」を持つ、強磁性酸化物SrRuOにおける磁化反転実験によって検証された。

Room-temperature flexible manipulation of the quantum-metric structure in a topological chiral antiferromagnet

Han, J.*; 内村 友宏*; 荒木 康史; Yoon, J.-Y.*; 竹内 祐太郎*; 山根 結太*; 金井 駿*; 家田 淳一; 大野 英男*; 深見 俊輔*

Nature Physics, 20(7), p.1110 - 1117, 2024/07

https://doi.org/10.1038/s41567-024-02476-2

量子状態の幾何学的構造を特徴づける基礎的な量として、「量子計量」と「ベリー曲率」が存在する。ベリー曲率は、凝縮系において多種の重要な現象に寄与することが知られている。一方、量子計量も新たなトポロジカル物理現象の起源となることが予想されているが、特に常温常圧下においては、その効果はほとんど探索されていない。本研究では、トポロジカルカイラル反強磁性体MnSnと白金の接合系を用い、界面でのナノスピン構造を介して、電子系の量子計量構造の制御に成功した。ベリー曲率ではなく量子計量特有の効果として、時間反転反対称でかつ電子散乱に対して頑強な、二次非線形ホール効果を測定した。更に、界面スピン構造は弱磁場及び界面スピン軌道相互作用によって急峻に変調されるため、量子計量構造も鋭敏に制御可能であることを示した。本研究成果により、量子状態に内在する量子計量構造を活用したトポロジカル物理現象が室温環境下でも可能になり、且つ応用面においても非線形素子を構築する助けとなることが期待される。

Observation of topological Hall torque exerted on a domain wall in the ferromagnetic oxide SrRuO

山ノ内 路彦*; 荒木 康史; 酒井 貴樹*; 植村 哲也*; 太田 裕道*; 家田 淳一

Science Advances (Internet), 8(15), p.eabl6192_1 - eabl6192_6, 2022/04

AA2021-0538.pdf:0.53MB

https://doi.org/10.1126/sciadv.abl6192

強磁性ワイル金属SrRuOにおける、電流によって磁壁に作用する大きな有効磁場を報告する。電流密度に対するの比率は、非単調な温度依存性を示し、従来のスピン移行トルクおよびスピン軌道トルクの比率を上回っていることが示される。この増強効果は、磁壁に電場が印加されたときに、ワイル点の周りに出現するワイル電子によって磁壁に作用するトポロジカルホールトルク(THT)によってよく説明される。電流密度に対するTHTから生じるの比率は、金属系で報告されているスピン移行トルクおよびスピン軌道トルクから生じるものよりも1桁以上高く、THTが スピントロニクスデバイスにおける磁化の操作においてエネルギー効率の良い方法を提供する可能性があることを示している。

JMTR・UCL系統冷却塔の健全性調査

大戸 勤; 浅野 典一; 川俣 貴則; 箭内 智博; 西村 嵐; 荒木 大輔; 大塚 薫; 高部 湧吾; 大塚 紀彰; 小嶋 慶大; et al.

JAEA-Review 2020-018, 66 Pages, 2020/11

JAEA-Review-2020-018.pdf:8.87MB

令和元年9月9日の台風15号の強風により、JMTR(材料試験炉)にある二次冷却系統冷却塔の倒壊事象が発生した。その倒壊に至った原因調査及び原因分析を行い、4つの原因が重なって起こったことが特定された。これを受け、JMTR内にある二次冷却系統冷却塔と同時期に設置された木造の冷却塔であるUCL(Utility Cooling Loop)系統冷却塔の健全性調査を行った。健全性調査項目は、UCL系統冷却塔の運転状態の把握、UCL冷却系統の構造材料の劣化状態、点検項目及び点検状況、過去の気象データの確認である。この調査結果から、当該設備を安全に維持・管理するため、点検項目の改善、UCL系統冷却塔の構造材料である木材の交換・補修計画及び今後のUCL系統冷却塔の使用計画を策定するとともに、既存UCL系統冷却塔に代わる新規冷却塔の更新計画を策定した。本報告書はこれらの健全性調査の結果をまとめたものである。

Demonstration of high-flux photon generation from an ERL-based laser Compton photon source

永井 良治; 羽島 良一; 森 道昭; 静間 俊行; 赤木 智哉*; 荒木 栄*; 本田 洋介*; 小菅 淳*; 照沼 信浩*; 浦川 順治*

Proceedings of 6th International Particle Accelerator Conference (IPAC '15) (Internet), p.1607 - 1609, 2015/06

http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/IPAC2015/papers/tupje002.pdf

コンパクトERL(cERL)においてエネルギー回収型リニアックを基盤とするレーザーコンプトン散乱(LCS)光源のために必要な加速器およびレーザーについての技術開発を行った。ERL-LCS光源のような高強度、エネルギー可変、単色光源は非破壊核種分析に必要な光源である。ERL-LCS光源による光子生成実証のために、cERL回収ループにレーザーエンハンスメント共振器を設置した。電子ビームエネルギー、レーザー波長、衝突角はそれぞれ、20MeV, 1064nm, 18deg.である。LCS光子の最大エネルギーは約7keVである。感度領域17mmのシリコンドリフト検出器を衝突点から16.6mの位置でのLCS光子の観測に用いた。その計測の結果、検出器での強度、中心エネルギー、エネルギー広がりはそれぞれ、1200/s, 6.91keV, 81eVであった。

Study for reducing radioactive solid waste at ITER decommissioning period

佐藤 真一*; 荒木 政則; 大森 順次*; 大野 勇*; 佐藤 聡; 山内 通則*; 西谷 健夫

JAERI-Tech 2002-083, 126 Pages, 2002/10

JAERI-Tech-2002-083.pdf:4.07MB

ITERの主要な目標の1つとして、魅力ある安全性及び環境適合性を実証することが上げられる。このためには、解体期における放射性物質及び廃棄物を確固たる規制のもと、慎重に取り扱うことが重要である。ITER調整技術活動の一環として、日本参加チームはITERの基本設計及び主要な機器構造を保ちつつ、最小限の機器材料を変更することにより、さらなる放射化レベルの低減に向けた検討を実施した。本提案に基づく放射化レベル及び放射性廃棄物量の再評価は、より良い環境への受容性をもたらすものと考える。