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論文

Nodal lines and boundary modes in topological Dirac semimetals with magnetism

荒木 康史; 渡邊 成*; 野村 健太郎*

Journal of the Physical Society of Japan, 90(9), p.094702_1 - 094702_9, 2021/09

 被引用回数:0

磁性を持つ線ノード半金属はいくつかの化合物で理論的および実験的に確認されているが、一方で、その磁気秩序と電子の性質の間の関係性についての理解は進んでいない。本研究では磁性線ノード半金属のバルク及び境界面における電子の性質を理解することを目的として、トポロジカルディラック半金属(TDSM)に磁性を導入した系を数値的および解析的に取り扱う。TDSMはスピン縮退したディラック点のペアを持つ物質であり、$$mathrm{Cd_3 As_2}$$及び$$mathrm{Na_3 Bi}$$等が知られている。TDSMの格子模型で電子スピンに結合した磁化を導入してバンド構造を計算することにより、TDSMは磁化の向き及び結合定数に依存して、ワイル半金属または線ノード半金属のいずれかに転移することが示された。これによって得られた磁性線ノード半金属相の電子状態を計算することにより、境界面においては線ノードに対応したドラムヘッド型バンド構造を持つゼロモードが現れることが示された。この境界モードはバルクの整数$$(mathbb{Z})$$トポロジカル数により特徴づけられるものであり、磁壁に局在して現れることが見出された。

論文

Microscopic theory of electrically induced spin torques in magnetic Weyl semimetals

紅林 大地*; 荒木 康史; 野村 健太郎*

Journal of the Physical Society of Japan, 90(8), p.084702_1 - 084702_9, 2021/08

 被引用回数:1 パーセンタイル:0.01(Physics, Multidisciplinary)

本研究では、磁性ワイル半金属において電流および電圧によって誘起されるスピントルクの理論を導出する。磁性ワイル半金属においては、非自明なトポロジーを持つバンド構造に由来して磁化と電子輸送が結合し、スピントロニクスに適した性質を示す。本論文では、磁化構造の勾配および電流に関する摂動展開に基づき、電流によって誘起されるスピントルクを網羅的に導出する。このトルクはスピン軌道トルク及びスピン移行トルクを内包するものである。更に、電圧(電位差)によって誘起されるトルクも微視的に導出し、このトルクがスピンと軸性カレントの対応関係、及びカイラルアノマリーに由来するものであることを示す。

論文

Long-range spin transport on the surface of topological Dirac semimetal

荒木 康史; 三澤 貴宏*; 野村 健太郎*

Physical Review Research (Internet), 3(2), p.023219_1 - 023219_15, 2021/06

本論文では、トポロジカルディラック半金属(TDSM)表面のギャップレス状態を介した、長距離スピン伝送を理論面から提案する。次世代のスピントロニクス素子の構築のためには、散逸の少ないスピン流を実現することが必要である。主要なスピン流のキャリアは金属中の伝導電子や磁性絶縁体中のスピン波であるが、これらはジュール熱やギルバート緩和により伝播距離が制限される問題がある。本研究ではTDSM(Cd$$_3$$As$$_2$$, Na$$_3$$Bi等)のスピン・ヘリカルな表面状態が、乱れに対して頑強である性質を用いて、低散逸で長距離のスピン輸送を提案する。2つの磁性絶縁体とTDSMの接合系を考え、一方の磁性体の磁化ダイナミクスにより、TDSM表面を介して他方の磁性体に注入されるスピン流に注目する。表面における輸送理論と、格子模型による実時間発展シミュレーションを併用することにより、TDSM表面を流れるスピン流は準量子化された値をとり、その値は界面の微視的な結合の構造によらないことを示す。さらに、このスピン流は長距離においても乱れに対して強いことを示し、TDSMがスピントロニクス素子へ応用可能な表面状態をもつことを提案する。

論文

Spin-orbital magnetic response of relativistic fermions with band hybridization

荒木 康史; 末永 大輝*; 鈴木 渓; 安井 繁宏*

Physical Review Research (Internet), 3(2), p.023098_1 - 023098_17, 2021/05

相対論的フェルミオンのスピンは軌道自由度と強い相関を持つ。このような相対論的粒子と非相対論的粒子が混在する場合の効果として、本研究ではスピン-軌道帯磁率に着目する。スピン-軌道帯磁率は軌道磁場(粒子の軌道運動に対してベクトルポテンシャルとして働く磁場の効果)に対するスピン偏極の応答として定義されるものであり、スピン-軌道相互作用に起因するものである。理論解析の結果、相対論的粒子と非相対論的粒子の混成がある場合、スピン-軌道帯磁率はバンド混成点近傍のフェルミエネルギーで変化することが示された。この混成効果により、磁場下では非相対論的粒子のスピン偏極も誘起されることが明らかになった。さらにこの混成効果は、熱平衡を破るような動的な磁場の摂動下では増強されることを明らかにした。スピン-軌道帯磁率に対するこれらの効果は、固体中のディラック電子に対する結晶対称性の破れや不純物ドープ、および相対論的重イオン衝突における軽いクォークと重いクォークの混成といった状況下で、実験的に実現されうることを議論する。

論文

Magnetization energy current in the axial magnetic effect

下出 敦夫*; 荒木 康史

Physical Review B, 103(15), p.155202_1 - 155202_8, 2021/04

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Materials Science, Multidisciplinary)

軸性磁気効果(Axial magnetic effect: AME)は軸性磁場がエネルギー流を誘起する、異常輸送現象の一種である。本研究では軸性磁場を含む相対論的ウィルソンフェルミオン、及び捻れのあるディラック半金属の模型において、AMEを数値的に調べた。バルク中ではAMEにより有限のエネルギー流が得られ、特に前者の模型の低エネルギー領域においては、このエネルギー流は場の理論による導出と合致した。その一方、どちらの模型においても系全体で平均すると、エネルギー流は表面の寄与によりゼロとなることが明らかになった。軸性磁場はゼーマン磁場の空間変調として解釈されるため、空間変調したエネルギー磁化を誘起する。本研究で扱ったAMEによるエネルギー流は、このエネルギー磁化に対応した磁化エネルギー流として解釈でき、したがって輸送測定では検出できない成分であると理解される。

論文

Chiral separation effect catalyzed by heavy impurities

末永 大輝*; 荒木 康史; 鈴木 渓; 安井 繁宏*

Physical Review D, 103(5), p.054041_1 - 054041_17, 2021/03

 被引用回数:1 パーセンタイル:0.01(Astronomy & Astrophysics)

本論文ではクォーク物質中のカイラル分離効果に対して、近藤効果、すなわち重い不純物による非摂動的効果が与える影響を議論する。カイラル分離効果は、相対論的フェルミオンが磁場下でカイラリティ依存のカレント(軸性カレント)を示す現象であり、クォーク物質等の相対論的フェルミオンに特徴的な現象である。本研究では、軽いクォークと重いクォークによって構成される近藤凝縮を含む有効模型に基づき、静的および動的な磁場下での軸性カレントの応答関数を評価した。その結果、磁場が静的・動的どちらの場合も、近藤効果によりカイラル分離効果は増強されることが示された。特に動的な磁場下では、カイラル分離効果は約3倍に増強されることを明らかにした。以上の効果により、クォーク物質中に不純物として含まれる重いクォークは、磁場下での軽いクォークのカレントに対して重要な役割を果たすことが示唆される。

論文

Two relativistic Kondo effects; Classification with particle and antiparticle impurities

荒木 康史; 末永 大輝*; 鈴木 渓; 安井 繁宏*

Physical Review Research (Internet), 3(1), p.013233_1 - 013233_12, 2021/03

本論文では、不純物自由度の性質によって類別される二種類の相対論的近藤効果について、理論的考察を行う。特に、軽いディラックフェルミオンと重い不純物フェルミオンから構成される「凝縮」を含む基底状態の分散関係に注目する。ここでの重いフェルミオン自由度は、高エネルギー物理学においてヘビークォーク有効理論(HQET)として知られている有効理論(すなわち、ディラックフェルミオンに対して非相対論的極限をとることで得られる低エネルギー有効理論)を用いて記述される。ここでは二種類のHQETを採用し、一つ目のHQETは重いフェルミオンの粒子成分のみを含み、二つ目のHQETは粒子成分と反粒子成分の両方を含む(粒子と反粒子は逆のパリティを持つ)。これらの二つの有効理論から定性的に異なる二種類の近藤効果が現れることを示す。二種類の近藤効果を比較すると、フェルミ面近傍における(近藤効果としての)性質は類似している一方、運動量が小さい領域(赤外領域)のバンド構造は異なることが分かる。これらの近藤効果はディラック/ワイル反金属やクォーク物質における観測量に影響するだけでなく、格子シミュレーションや冷却原子シミュレーションによって数値的に検証されることが期待される。

論文

Kondo effect driven by chirality imbalance

末永 大輝*; 鈴木 渓; 荒木 康史; 安井 繁宏*

Physical Review Research (Internet), 2(2), p.023312_1 - 023312_13, 2020/06

近藤効果はフェルミ面近傍の軽いフェルミオンと重い不純物との相互作用によって引き起こされ、物質の電気的・熱的・輸送的性質に影響を及ぼす。一方、カイラリティ(右巻き・左巻き)はディラック粒子・ワイル粒子などの相対論的フェルミオンが持つ基本的な性質の一つである。通常の物質においては右巻き・左巻き粒子の数は均衡しているが、これらが不均衡となる系もクォーク物質や電子系において興味が持たれている。本論文では、相対論的フェルミオンのカイラリティ不均衡(有限の「カイラル化学ポテンシャル」を持つ系)によって生じる近藤効果を理論的に提案した。この効果は右巻き(または左巻き)の軽いフェルミオンと重い不純物粒子との混合によって引き起こされるが、これは有限密度(化学ポテンシャル)によって生じる通常の近藤効果とは少し異なる状況である。我々は相対論的フェルミオンと不純物粒子間の相互作用を持つ有効模型を構築し、(1)摂動計算と(2)平均場近似による非摂動的アプローチの二つの手法を用いてこの効果が実現することを示した。さらに、近藤効果に対する温度依存性・結合定数依存性・感受率の振る舞いや相転移の次数などを議論した。このような近藤効果の性質は、将来的な格子シミュレーションで検証されることが期待される。

論文

Dynamical spin-to-charge conversion on the edge of quantum spin Hall insulator

荒木 康史; 三澤 貴宏*; 野村 健太郎*

Physical Review Research (Internet), 2(2), p.023195_1 - 023195_11, 2020/05

We theoretically manifest that the edge of a quantum spin Hall insulator (QSHI), attached to an insulating ferromagnet (FM), can realize a highly efficient spin-to-charge conversion. Based on a one-dimensional QSHI-FM junction, the electron dynamics on the QSHI edge is analyzed, driven by a magnetization dynamics in the FM. Under a large gap opening on the edge from the magnetic exchange coupling, we find that the spin injection into the QSHI edge gets suppressed while the charge current driven on the edge gets maximized, demanded by the band topology of the one-dimensional helical edge states.

論文

Magnetic textures and dynamics in magnetic Weyl semimetals

荒木 康史

Annalen der Physik, 532(2), p.1900287_1 - 1900287_16, 2020/02

 被引用回数:12 パーセンタイル:83.06(Physics, Multidisciplinary)

Recent theoretical and experimental attempts have been successful in finding magnetic Weyl semimetal phases, which show both nodal-point structure in the electronic bands and magnetic orders. Beyond uniform ferromagnetic or antiferromagnetic orders, nonuniform magnetic textures, such as domain walls and skyrmions, may even more enrich the properties of the Weyl electrons in such materials. This article gives a topical review on interplay between Weyl electrons and magnetic textures in those magnetic Weyl semimetals. The basics of magnetic textures in non-topological magnetic metals are reviewed first, and then the effect of magnetic textures in Weyl semimetals is discussed, regarding the recent theoretical and experimental progress therein. The idea of the fictitious "axial gauge fields" is pointed out, which effectively describes the effect of magnetic textures on the Weyl electrons and can well account for the properties of the electrons localized around magnetic domain walls.

論文

High heat load test of molybdenum

田辺 哲朗*; 藤野 道彦*; 野口 宏*; 八木 康文*; 平野 洋一*; 清水 肇*; 秋場 真人; 荒木 政則; 久保田 雄輔*; 宮原 昭*

Journal of Nuclear Materials, 200(1), p.120 - 127, 1993/03

 被引用回数:9 パーセンタイル:67.94(Materials Science, Multidisciplinary)

次期核融合実験炉用プラズマ対向機器表面材料として、幾つかの材料が検討されている。本報では、溶融型モリブデンについて、電子及びイオンビームによる熱衝撃試験を行い、溶融層の構造変化を調べた。溶融型Moは従来の粉末焼結型Moに比べ、結晶粒が大きく、延性が良いこと、不純物が少ないこと等の性質を有している。以下に主要結果を示す。(1)電子ビーム照射試験において、溶融型Moと粉末焼結型Moでは表面損傷状態に大きな違いがある。溶融型Moでは、多少の損傷は確認されたが、単結晶性は表面溶融後においても残っているのに対し、粉末焼結型Moでは、多数のクレータ痕が表面に生じた。これは、粉末焼結型Mo内に残っている不純物ガスによるものと考えられる。(2)電総研核融合実験装置において、Moリミターを採用したことにより、従来得られていた黒鉛リミターでのプラズマ閉じ込め特性と比べ、その特性が改善された。

口頭

Strain-induced nonlinear spin Hall effect in topological Dirac semimetal

荒木 康史

no journal, , 

The main focus of this presentation is the theory of spin current generation in topological Dirac semimetals (TDSMs), the newly-found three-dimensional topological materials. TDSMs are characterized by pair(s) of doubly-degenerate nodal points (Dirac points) in their momentum-space band structures, which are observed by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) in Na$$_3$$Bi and Cd$$_3$$As$$_2$$. I focus on a lattice-strained TDSM, to obtain an additional contribution to the spin current generation. I propose that an electric field applied to the strained TDSM gives rise to a nonlinear spin Hall current, namely the spin current perpendicular to and quadratic in the electric field. The spin current response is obtained by the Boltzmann transport theory, regarding the strain as a pseudomagnetic field for the Dirac electrons. This nonlinear effect implies that one can obtain a rectified (dc) pure spin current out of an alternating (ac) electric field, which renders the TDSM an efficient spin-current injector.

口頭

Strain-induced nonlinear spin Hall effect in topological Dirac semimetal

荒木 康史

no journal, , 

Topological Dirac seimetals (TDSMs) form a new class of three-dimensional topological semimetals, characterized by pair(s) of doubly-degenerate nodal points (Dirac points) in their momentum(k)-space band structures. They show the intrinsic spin Hall effect (SHE), which comes from the k-space topology around the Dirac points. This spin Hall conductivity is topologically protected, while it cannot be easily tuned or enhanced at linear response. In order to overcome this problem, I theoretically propose that an electric field applied to a lattice-strained TDSM gives rise to an additional "nonlinear spin Hall current", namely the spin current perpendicular to and quadratic in the electric field. The spin current response is obtained by the Boltzmann transport theory, regarding the strain as a pseudomagnetic field for the Dirac electrons. The nonlinear SHE arises as the hybrid of the regular Hall effect driven by the pseudomagnetic field (strain) and the anomalous Hall effect from the k-space topology. This behavior implies that one can obtain a rectified (dc) pure spin current out of an alternating (ac) electric field, which renders the TDSM an efficient spin-current injector.

口頭

Dissipative spin pumping in two-dimensional quantum spin Hall insulator

荒木 康史; 三澤 貴宏*; 野村 健太郎*

no journal, , 

We present our theoretical work on spin pumping into a two-dimensional (2D) quantum spin Hall inslator (QSHI). Recent theories and experiments have demonstrated the QSHI phase in a monolayer of transition metal dichalcogenide 1T'-WTe2, which can be easily engineered in contrast to traditionally-known HgTe/CdTe and InAs/GaSb quantum wells. While the theory of spin pumping is well established in normal metals by focusing on the spin-dependent electron scattering at the interface, it is unreliable for topologically nontrivial interfaces in such systems. In the present work, we consider a junction of a ferromagnet and a 2D QSHI at its 1D edge, and demonstrate the pumping of angular momentum from the spin-precessing ferromagnet into the QSHI. Using the Floquet theory for the electrons on the helical edge states, we analytically show that the time-periodic precession of the magnetization drives a charge current on the edge, for the whole range of precession frequency. This edge current can be regarded as a consequence of the inverse spin Hall effect intrinsic to the QSHI, which converts the injected spin current into a transverse charge current. By varying the precession frequency of the magnetization and the coupling strength at the junction, we find a clear crossover between two regimes: the adiabatic regime, where the slow magnetization precession drives a quantized pumping, and the resonant regime, where the fast precession leads to a suppressed pumping. We also incorporate the effect of orbital dependence in the exchange coupling at the edge, and show numerically that it shifts the crossover point between the adiabatic and resonant regimes.

口頭

Dissipative spin pumping into two-dimensional quantum spin Hall insulator

荒木 康史; 三澤 貴宏*; 野村 健太郎*

no journal, , 

The two-dimensional quantum spin Hall insulator (2D QSHI) is the most primitive but quite important realization of topological insulator. It shows the helical edge states protected by time-reversal symmetry, whereas the quantized spin Hall conductivity in the bulk. In the present work, we theoretically investigate the spin pumping from a precessing ferromagnet into a 2D QSHI thoroughly from the adiabatic to nonadiabatic regimes, both analytically and numerically. We analytically treat the dynamics of the edge-state electrons coupled to the precessing ferromagnet by the Floquet theory, and derive the pumped current as a function of the exchange energy and the precession frequency. We find that a heat bath for the edge electrons governs the transition between the adiabatic and nonadiabatic regime: when the edge electrons are coupled with a heat bath, their spin and energy can dissipate into the bath by a certain rate, eventually reaching a periodic steady state. The pumped current on the becomes quantized when the exchange energy exceeds the dissipation rate. We also calculate the edge current numerically on the 2D lattice model, and find that the bulk states in the QSHI effectively serves as the heat bath for the edge electrons.

口頭

Adiabatic and resonant spin pumping in two-dimensional quantum spin Hall insulator

荒木 康史; 三澤 貴宏*; 野村 健太郎*

no journal, , 

We present our theoretical work on spin pumping into a two-dimensional (2D) quantum spin Hall inslator (QSHI). QSHI is a topological insulator in 2D exhibiting gapless helical edge stats, which are responsible for the quantized spin Hall conductivity. Recent theories and experiments have demonstrated the QSHI phase in a monolayer of transition metal dichalcogenide 1T'-WTe2, which can be easily engineered in contrast to traditionally-known HgTe/CdTe and InAs/GaSb quantum wells. While the theory of spin pumping is well established in normal metals by focusing on the spin-dependent electron scattering at the interface, it is unreliable for topologically nontrivial interfaces in such systems. In the present work, we consider a junction of a ferromagnet and a 2D QSHI at its 1D edge, and demonstrate the pumping of angular momentum from the spin-precessing ferromagnet into the QSHI. Using the Floquet theory for the electrons on the helical edge states, we analytically show that the time-periodic precession of the magnetization drives a charge current on the edge, for the whole range of precession frequency. This edge current can be regarded as a consequence of the inverse spin Hall effect intrinsic to the QSHI, which converts the injected spin current into a transverse charge current. By varying the precession frequency of the magnetization and the coupling strength at the junction, we find a clear crossover between two regimes: the adiabatic regime, where the slow magnetization precession drives a quantized pumping, and the resonant regime, where the fast precession leads to a suppressed pumping. We also incorporate the effect of orbital dependence in the exchange coupling at the edge, and show numerically that it shifts the crossover point between the adiabatic and resonant regimes.

口頭

Spin-to-charge conversion on the edge of quantum spin Hall insulator

荒木 康史; 三澤 貴宏*; 野村 健太郎*

no journal, , 

We present our theoretical work on dynamical spin-to-charge conversion at the edge of a quantum spin Hall insulator (QSHI), namely a two-dimensional topological insulator with helical edge states. Interconversion between spin- and charge-related quantities has been a key idea in making use of magnetic materials, especially in the context of spintronics. QSHI is a typical system showing a universal charge-to-spin conversion behavior, namely the quantum spin Hall effect, whereas the spin-to-charge conversion therein is still not clearly understood. At a lateral heterojunction of a ferromagnet (FM) and a QSHI, it has been theoretically demonstrated that magnetization dynamics induces a charge current along the edge of QSHI; however, its mechanism from the viewpoint of spin-to-charge conversion still remains to be clarified. In order to understand the spin transfer and the spin-to-charge conversion mechanism in QSHI, we investigate the many-body dynamics of the electrons under the magnetization dynamics at the QSHI-FM junction. We analytically treat the electron dynamics in terms of the Floquet-Keldysh formalism, and compare two physical quantities present on the edge: the spin injection rate from the FM into the QSHI, and the charge current induced along the edge. Whereas the edge current seen in the previous works is reproduced, we find that it is not proportional to the spin injection rate, especially when the exchange interaction at the junction is strong enough. This relation implies that the spin-to-charge conversion in this system cannot be considered as the inverse spin Hall effect, while it can be rather seen as the inverse Edelstein effect, in which an electron spin accumulation at the junction is converted to a charge current. We also focus on the energy transfer at the junction, and interpret this phenomenon in terms of magnon exchange.

口頭

非相対論的フェルミオンとディラックフェルミオンが結合した系の帯磁率

荒木 康史; 末永 大輝*; 鈴木 渓; 安井 繁宏*

no journal, , 

物質中の電子のバンド構造においては、しばしば相対論的なディラック・ワイルノード構造が現れる。ディラック・ワイルノード構造は必ずしも単独で現れるわけではなく、他のバンドとの重なり・混成を示す電子系が多く見られる。このようなバンド混成の下で働く相対論的効果を理解するための指標として、本研究では「スピン-軌道交差帯磁率」に着目した。スピン-軌道交差帯磁率は磁場の軌道効果(ベクトルポテンシャル)に対するスピン分極の応答であり、電子系に働く相対論的効果(スピン-軌道相互作用)に依存する。本講演ではディラック粒子と非相対論的バンドを持つ粒子が混成した系を対象とし、その混成系におけるスピン-軌道交差帯磁率に関する理論研究の成果について報告する。我々はゼロ周波数の磁場下での熱平衡状態に基づいた平衡帯磁率と、有限周波数の磁場に対する動的帯磁率をそれぞれ評価し、バンド混成の下でこれらの比較を行った。その結果、特に動的帯磁率においては、バンド混成点近傍においてディラックバンドのみの交差帯磁率から大きなずれを示すことが明らかになった。これはバンド間遷移の効果に起因するものであり、ディラック粒子のスピン-運動量ロッキングの効果が、バンド混成により非相対論的バンドに移行したものと解釈できる。相対論的粒子と非相対論的粒子の混成系として、重イオン衝突実験等におけるクォーク物質に対する適用例についても述べる。

口頭

トポロジカルディラック半金属の表面状態を介したスピン輸送理論

荒木 康史; 三澤 貴宏*; 野村 健太郎*

no journal, , 

Cd$$_{3}$$As$$_{2}$$等のトポロジカルディラック半金属の表面には、フェルミアークとしてスピンヘリカルな1次元的状態が存在する。本講演ではこの表面状態を介したスピン輸送について議論する。半金属表面に2つの磁性絶縁体が接合した状況を考え、片方の磁性体の磁化ダイナミクスが、半金属表面状態を介して他方の磁性体に与えるスピン流を扱う。このスピン流がフェルミアークの長さに応じた量子化値をとることを、解析的および数値的に示す。

口頭

カゴメ格子上の電子系における磁気秩序

渡邊 成*; 荒木 康史; 野村 健太郎*

no journal, , 

本研究ではカゴメ電子系のハミルトニアンが持つ微視的性質から、スピン系の巨視的な磁気秩序の性質を導くことを目標に研究を行なった。具体的にはRashba型、及びKane-Mele型のスピン軌道相互作用が存在する単層カゴメ格子上の電子系から出発し、種々の磁気構造における電子系のエネルギーを計算した。これにより基底状態として実現する磁気構造の相図を得た。これによりnoncollinearな磁気秩序が基底状態となることを明らかにした。さらに古典的Heisenberg模型を用いて、スピン間相互作用とジャロシンスキー・守谷相互作用の、電子系のパラメーター依存性を導くことで、古典的Heisenberg模型で記述されるスピン系の巨視的性質を電子系の微視的性質から導いた。

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