Topological spin-orbit torque in ferrimagnetic Weyl semimetal

目黒 智成*; 小沢 耀弘*; 小林 浩二*; 荒木 康史; 野村 健太郎*

Physical Review Research (Internet), 7(2), p.L022065_1 - L022065_8, 2025/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.7.L022065

We theoretically find a topological spin-orbit torque (SOT) in the compensated ferrimagnetic Weyl semimetal TiMnAl. The topological SOT arises from all the occupied states, which is free from dissipation. However, it is negligible in metallic magnets and was not reported in Weyl semimetals. We show the enhancement of the topological SOT from the mixed Berry curvature around the Weyl points in TiMnAl. This finding provides a guiding principle for designing highly efficient SOT devices using the topological nature of ferrimagnetic Weyl semimetals.

Intercorrelated anomalous Hall and spin Hall effect in kagome-lattice CoSnS-based shandite films

Lau, Y.-C.*; 池田 絢哉*; 藤原 宏平*; 小沢 耀弘*; Zheng, J.*; 関 剛斎*; 野村 健太郎*; Du, L.*; Wu, Q.*; 塚崎 敦*; et al.

Physical Review B, 108(6), p.064429_1 - 064429_11, 2023/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.064429

Magnetic Weyl semimetals (mWSMs) are characterized by linearly dispersive bands with chiral Weyl node pairs associated with broken time-reversal symmetry. One of the hallmarks of mWSMs is the emergence of large intrinsic anomalous Hall effect. On heating the mWSM above its Curie temperature, the magnetism vanishes while exchange-split Weyl point pairs collapse into doubly degenerate gapped Dirac states. Here, we reveal the attractive potential of these Dirac nodes in paramagnetic state for efficient spin current generation at room temperature via the spin Hall effect. Ni and In are introduced to separately substitute Co and Sn in a prototypal mWSM CoSnS shandite film and tune the Fermi level. Composition dependence of spin Hall conductivity for paramagnetic shandite at room temperature resembles that of anomalous Hall conductivity for ferromagnetic shandite at low temperature; exhibiting peak-like dependence centering around the Ni-substituted CoNiSnS and undoped CoSnS compositions, respectively. The observed spin Hall and anomalous Hall conductivity maxima at different compositions reflect optimum Fermi-level positioning relative to the paramagnetic Dirac and magnetic Weyl states, suggesting the common origin and intercorrelation between the two Hall effects. Our findings highlight a strategy for the quest of spin Hall materials, guided by the abundant experimental anomalous Hall-effect data of ferromagnets in the literature.

Magnetic orderings from spin-orbit coupled electrons on kagome lattice

渡邊 成*; 荒木 康史; 小林 浩二*; 小澤 耀弘*; 野村 健太郎*

Journal of the Physical Society of Japan, 91(8), p.083702_1 - 083702_5, 2022/08

https://doi.org/10.7566/JPSJ.91.083702

本論文では籠目格子上で構成される磁気秩序について、電子系の強束縛ハミルトニアンに基づいて数値計算を行い、電子の充填率及びスピン軌道相互作用の強さに対する依存性を調べる。籠目格子上では電子の充填率によって、強磁性及びノンコリニア反強磁性秩序のいずれも取りうることを示す。これらの磁気秩序は、籠目格子に特有のディラック分散や平坦バンドといったバンド構造に由来するものである。更に、Kane-Mele型やRashba型のスピン軌道相互作用を導入することで、実効的なDzyaloshinskii-Moriya相互作用が誘起され、磁気スパイラルや反強磁性120度構造等のノンコリニアな磁気秩序が安定化されることを示す。本研究によって得られた磁気秩序の相構造に関する知見は、ワイル・ディラック電子を示すような籠目格子の層状物質群における磁気秩序の起源を理解するのに役立つと期待される。

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

https://doi.org/10.7566/JPSJ.90.084702

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。

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

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.023195

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.

Non-destructive elemental analysis of a carbonaceous chondrite with direct current Muon beam at MuSIC

寺田 健太郎*; 佐藤 朗*; 二宮 和彦*; 川島 祥孝*; 下村 浩一郎*; 吉田 剛*; 河井 洋輔*; 大澤 崇人; 橘 省吾*

Scientific Reports (Internet), 7(1), p.15478_1 - 15478_6, 2017/11

AA2017-0455.pdf:1.15MB

https://doi.org/10.1038/s41598-017-15719-5

電子やX線を用いた特性X線分析は基礎的化学分析手法として様々な分野で用いられている。近年、その高い透過性からミュオン捕獲特性X線を用いた分析手法が注目を集めている。我々はここに最新の強力なDCミュオン源であるMuSICを用いて行った炭素質コンドライトの分析結果について報告する。炭素を約2%含むJbilet Winselwan隕石を測定した結果、Mg, Si, Fe, O, S, Cからのミュオン捕獲特性X線を検出し、元素存在度のパターンはCMコンドライトとして無矛盾であった。本非破壊分析手法は炭素に高い感度を持つことから、C型小惑星からのサンプルが持ち帰られた場合にも、それを分析する強力な新手法となりえる。

Spin-electricity conversion induced by spin injection into topological insulators

塩見 雄毅*; 野村 健太郎*; 梶原 瑛祐*; 江藤 数馬*; Novak, M.*; 瀬川 耕司*; 安藤 陽一*; 齊藤 英治

Physical Review Letters, 113(19), p.196601_1 - 196601_5, 2014/11

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.196601

We report successful spin injection into the surface states of topological insulators by using a spin pumping technique. By measuring the voltage that shows up across the samples as a result of spin pumping, we demonstrate that a spin-electricity conversion effect takes place in the surface states of bulk-insulating topological insulators BiSbTeSe and Sn-doped BiTeSe. In this process, the injected spins are converted into a charge current along the Hall direction due to the spin-momentum locking on the surface state.

ITERにおける中性子計測を用いた燃料比測定法の開発

岡田 耕一; 近藤 恵太郎; 落合 謙太郎; 佐藤 聡; 今野 力; 西谷 健夫; 野村 健*; 岡本 敦*; 北島 純男*; 笹尾 真実子*

no journal, , 

ITERにおいて、燃焼領域中心の/燃料イオン比を測定することが求められている。燃料イオン比を測定するための一つの方法としてDT/DD反応比を利用したものがあり、われわれは中性子計測を用いて反応比を求めることを目標としている。本報告では、燃料比測定を目的とした中性子計測システムに対して要求される性能についての検討に対する報告を行う。計測器としては2結晶型のTOFスペクトロメータを採用した。ITERをモデル化し、プラズマでの中性子発生数から計測器への入射中性子数を求め、第1検出器の飽和が起こらない条件を導いた。また、燃焼制御のサポートを目的としていることから、100ms以内に統計精度10%を得ることを目標とし、それに合うような計数効率の条件、つまり、第1検出器に入射した中性子数に対するTOFスペクトロメータとしての計数の割合が要求に見合うような条件も導いた。モンテカルロコード(MCNP)を用いてTOFスペクトロメータで用いる検出器の配置の変化による計数効率への影響を調べ、上記2つの条件と合わせて検討した。

阿寺断層の垂直変位量と活動開始時期に関する熱年代学的研究

山田 国見; 安江 健一; 岩野 英樹*; 山田 隆二*; 梅田 浩司; 小村 健太朗*

no journal, , 

http://www2.jpgu.org/meeting/2012/html5/PDF/S-GL43/SGL43-P07.pdf

上下変位を伴うA級の活断層である阿寺断層の周辺から採取された地表試料と破砕帯内のボーリングコア試料に対してフィッション・トラック年代測定、フィッション・トラック長測定、それらの順モデリングを行い、垂直変位量と活動開始時期を推定した。その結果、(1)約70Ma以降の垂直変位量は約1kmであり、基盤岩や地形の高度差に基づく変位量と変わらないこと、(2)40-60Maに局所的な加熱があったこと、(3)20Ma頃に破砕帯内で断層に沿って広い範囲で加熱があったこと、が明らかになった。(1)は阿寺断層の現在の変位様式の活動が第四紀初頭以降に開始したという従来の見解と整合的である。(2)は60-70Maを示す西南日本内帯東部に分布する複数の小規模な火成活動との関連が考えられる。(3)はこの時期には既に破砕帯が存在し、おそらく断層運動が始まっていたことを示す。すなわち、阿寺断層の現在の活動は、かつて存在した古阿寺断層の再活動にあたると考えられる。

Reconstructing the thermal structure of shallow crust using OSL-thermometry of K-feldspar from deep borehole core; Case studies in the Japanese Islands

小形 学; King, G. E.*; Herman, F.*; 山田 隆二*; 小村 健太朗*; 末岡 茂

no journal, , 

光ルミネッセンス(OSL)熱年代法は、過去数十万年の超低温領域(数十度以下)の熱史推定を可能とするため、地殻浅部の侵食速度評価ができる。OSL信号は数十万年で飽和するため、OSL熱年代法による侵食速度の定量化は侵食速度の速い地域(数mm/yr以上)に限られる。侵食速度が遅い地域に対しては、ボーリングコアを利用し、長石の赤外光ルミネッセンス(IRSL)から古地温構造を復元することで、熱安定性(すなわち、侵食速度の遅さ)を評価できる。しかし、この手法の研究例は一例しかなく、また、ナトリウム長石を対象としている。本研究では、岐阜県東濃地域と兵庫県六甲山地で掘削されたボーリングコアを用いて、侵食速度が遅い地域に対するカリ長石のOSL熱年代法の適用性を検証した。東濃地域の事例では、深度約1km(約40C)の試料のIRSL50Cから復元した古地温は現在の地温と一致した。これは、過去から現在まで熱的に安定であったことを示し、東濃地域の侵食速度と整合的な結果となった。この結果より、侵食速度が遅い地域に対するカリ長石のOSL熱年代法による古地温構造復元の適用性を確認した。本発表では、六甲山地の事例についても紹介する。