Spontaneous topological Hall effect induced by non-coplanar antiferromagnetic order in intercalated van der Waals materials

高木 寛貴*; 高木 里奈*; 見波 将*; 野本 拓也*; 大石 一城*; 鈴木 通人*; 柳 有起*; 平山 元昭*; Khanh, N.*; 軽部 皓介*; et al.

Nature Physics, 19(7), p.961 - 968, 2023/07

https://doi.org/10.1038/s41567-023-02017-3

In ferromagnets, electric current generally induces a transverse Hall voltage in proportion to the internal magnetization. This effect is frequently used for electrical readout of the spin up and down states. While these properties are usually not expected in antiferromagnets, recent theoretical studies predicted that non-coplanar antiferromagnetic order with finite scalar spin chirality - meaning a solid angle spanned by neighboring spins - can induce a large spontaneous Hall effect even without net magnetization or external magnetic field. This phenomenon, the spontaneous topological Hall effect, can potentially be used for the efficient electrical readout of the antiferromagnetic states, but it has not been experimentally verified due to a lack of appropriate materials hosting such magnetism. Here, we report the discovery of all-in-all-out type non-coplanar antiferromagnetic order in triangular lattice compounds CoTaS and CoNbS. These compounds are reported to host unconventionally large spontaneous Hall effect despite their vanishingly small net magnetization, and our analysis reveals that it can be explained in terms of the topological Hall effect that originates from the fictitious magnetic field associated with scalar spin chirality. These results indicate that the scalar spin chirality mechanism offers a promising route to the realisation of giant spontaneous Hall response even in compensated antiferromagnets, and highlight intercalated van der Waals magnets as a promising quasi-two-dimensional material platform to enable various nontrivial ways of electrical reading and possible writing of non-coplanar antiferromagnetic domains.

Characteristics of flow field and pressure fluctuation in complex turbulent flow in the third elbow of a triple elbow piping with small curvature radius in three-dimensional layout

江原 真司*; 高村 宏行*; 橋爪 秀利*; 山野 秀将

International Journal of Hydrogen Energy, 41(17), p.7139 - 7145, 2016/05

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.02.068

本研究では、約1,000,000までの高レイノルズ数領域を扱う日本のナトリウム冷却高速炉のコールドレグ配管の1/7縮尺モデル試験体を含む実験装置を用いて流動可視化及び圧力測定を実施した。流れ場に関して、流動はく離が第3エルボ内側に現れた。しかしながら、そのはく離域は、第1エルボのそれより主流方向と垂直な方向には小さく、周流方向には大きかった。これは、第2エルボ下流で形成される旋回流が多少減衰しつつも第3エルボに流れ込むからであると考えられる。圧力変動試験から、エルボ下流0.0D0.4D(Dは配管直径)の領域において、無次元周波数であるストローハル数が約0.4で圧力変動の卓越周波数が現れることが分かった。また、出口側下流の0.75Dの領域では、ストローハル数が約0.7で弱いピークが見られた。

Characteristics of flow field and pressure fluctuation in complex turbulent flow in the third elbow of a triple elbow piping with small curvature radius in three-dimensional layout

江原 真司*; 高村 宏行*; 橋爪 秀利*; 山野 秀将

Proceedings of 17th International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems (ICENES 2015) (CD-ROM), 6 Pages, 2015/10

本研究では、約1,000,000までの高レイノルズ数領域を扱う日本のナトリウム冷却高速炉のコールドレグ配管の1/7縮尺モデル試験体を含む実験装置を用いて流動可視化及び圧力測定を実施した。流れ場に関して、流動はく離が第3エルボ内側に現れた。しかしながら、そのはく離域は、第1エルボのそれより主流方向と垂直な方向には小さく、周流方向には大きかった。これは、第2エルボ下流で形成される旋回流が多少減衰しつつも第3エルボに流れ込むからであると考えられる。圧力変動試験から、エルボ下流0.0D0.4D(Dは配管直径)の領域において、無次元周波数であるストローハル数が約0.4で圧力変動の卓越周波数が現れることが分かった。また、出口側下流の0.75Dの領域では、ストローハル数が約0.7で弱いピークが見られた。

瑞浪超深地層研究所における工学技術に関する検討; 平成24年度(委託研究)

深谷 正明*; 納多 勝*; 畑 浩二*; 竹田 宣典*; 秋好 賢治*; 石関 嘉一*; 金田 勉*; 佐藤 伸*; 柴田 千穂子*; 上田 正*; et al.

JAEA-Technology 2014-019, 495 Pages, 2014/08

JAEA-Technology-2014-019.pdf:82.23MB

超深地層研究所計画では、「研究坑道の設計・施工計画技術の開発」、「研究坑道の建設技術の開発」、「研究坑道の施工対策技術の開発」、「安全性を確保する技術の開発」を目的として、工学技術に関する研究を進めている。本研究では、これら4項目の工学技術研究として、深度500mまでの研究坑道の施工によって取得された計測データを用いて、設計の妥当性の検討や施工管理のための計測結果の分析と課題の抽出、パイロットボーリングから得られた情報の有効性に関する評価を行うとともに、研究坑道掘削工事で適用される技術の抽出と有効性評価を実施し、今後の技術開発の方向性について検討を加えた。

超深地層研究所計画 年度報告書(2011年度)

國丸 貴紀; 見掛 信一郎; 西尾 和久; 鶴田 忠彦; 松岡 稔幸; 石橋 正祐紀; 笹尾 英嗣; 引間 亮一; 丹野 剛男; 真田 祐幸; et al.

JAEA-Review 2013-018, 169 Pages, 2013/09

JAEA-Review-2013-018.pdf:15.71MB

日本原子力研究開発機構東濃地科学センターでは、「地層処分技術に関する研究開発」のうち深地層の科学的研究(地層科学研究)の一環として、結晶質岩(花崗岩)を対象とした超深地層研究所計画を進めている。本計画は、「第1段階; 地表からの調査予測研究段階」、「第2段階; 研究坑道の掘削を伴う研究段階」、「第3段階; 研究坑道を利用した研究段階」の3段階からなり、2011年度は、第2段階及び第3段階の調査研究を進めた。本報告書は、2010年度に改訂した「超深地層研究所地層科学研究基本計画」に基づいた、超深地層研究所計画の第2段階及び第3段階の調査研究のうち2011年度に実施した(1)調査研究、(2)施設建設、(3)共同研究等の成果を取りまとめたものである。

Flow structure of high Reynolds number flow in a dual-elbow piping simulating cold-legs of JSFR

高村 宏行*; 江原 真司*; 金子 哲也; 山野 秀将; 橋爪 秀利*

Proceedings of 15th International Symposium on Flow Visualization (ISFV-15) (CD-ROM), 10 Pages, 2012/06

2D-PIVを用いてJSFRコールドレグ配管を模擬した流動可視化実験が0.3101.010幾つかのレイノルズ数を変えて行われた。試験体は立体的に直管に接続された2つのショートエルボがある。2段エルボ系では単エルボのように剥離領域から剥離渦が放出される。これらの渦は第二エルボの腹側とその下流を流れる。2段エルボ流れにおける超臨界域は単管エルボ系同様レイノルズ数が約0.510以上で現れる。

PIV measurements of a complex turbulent flow in a short elbow piping under a high Reynolds number condition

高村 宏行*; 今野 宏章*; 江原 真司*; 橋爪 秀利*; 相澤 康介; 山野 秀将

Proceedings of 9th International Symposium on Particle Image Velocimetry (PIV '11) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2011/07

In this study, flow experiments are carried by using a 1/7-scale model of a cold-leg piping by means of Particle Image Velocimetry (PIV) to elucidate the flow structure in the piping. A single elbow, a dual elbow, and a triple elbow layout are used to understand the complex flow field. Cross sections perpendicular to the mean flow direction and cross sections parallel to that contain a curvature radius of the elbow are visualized minutely by the PIV measurement. We apply spectral analysis to the velocity data in time series by means of Fast Fourier Transform (FFT). We calculate the turbulent kinetic energy and the root-mean-square (rms) of the velocity fluctuations to value the turbulent intensity. As a result of the experiments of the flow cross sections, it is elucidated how the separated flow region changes depending on Reynolds number and fluctuation frequency characteristics in flow velocity in the vicinity of the separated flow region.

Pressure measurement test of single elbow simulating Na cooled fast reactor cold-leg piping

江原 真司*; 青谷 雄太*; 佐藤 司*; 橋爪 秀利*; 結城 和久*; 相澤 康介; 山野 秀将

Proceedings of 18th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-18) (CD-ROM), 9 Pages, 2010/05

https://doi.org/10.1115/ICONE18-29719

この研究では、エルボ内乱流に関連した流力振動特性についての知見を得るため、JSFRのコールドレグ配管を模擬した1/7縮尺試験ループを用いて圧力計測試験を実施した。複数エルボ配管試験の前に最初の段階として、単一エルボ配管の圧力計測を実施した。1/15縮尺実験についても同様に圧力計測を実施し、同一レイノルズ数におけるころなる配管スケールでの流れから生じる影響もまた評価した。

Unsteady hydraulic characteristics in large-diameter pipings with elbow for JSFR, 3; Flow structure in a 3-dimentionally connected dual elbow simulating cold-leg piping in JSFR

結城 和久*; 長谷川 駿介*; 佐藤 司*; 橋爪 秀利*; 相澤 康介; 山野 秀将

Proceedings of 13th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-13) (CD-ROM), 11 Pages, 2009/09

本研究では、コールドレグ部をシミュレートする三次元的に連結した二次元エルボ内の流動構造をPIV計測で可視化し、一次エルボから二次エルボまでの流動遷移,流動励起振動に影響する分離などの非定常流動の発生を細かく検討する。実験装置は、内径,曲率半径がそれぞれ56mmと1.0で実設計比15分の1スケールの試験区画である。湾曲なく視覚化するには、作動流体としてNaI溶液を使用して整合屈折率PIV計測を行う。レイノルズ数は50,000で、試験区画への流入状態は全体に乱流へ発達する。一次エルボの内壁,二次エルボ内の1つの大渦流動に沿った分離が発生することを確認する。さらに、分離領域内及び(又は)後方で形成する非定常流動は下流へ運ばれ、二次エルボ中心部へ流入する。

Suppression of high-cycle thermal fatigue at a mixing tee with a 90-degree bend upstream by changing its geometry

結城 和久*; 小原 啓*; 橋爪 秀利*; 田中 正暁; 村松 壽晴; 戸田 三朗*

Proceedings of 7th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics, Operation and Safety (NUTHOS-7) (CD-ROM), 21 Pages, 2008/10

上流に90度曲がり管(エルボ)を有するT字合流配管部で、PIV(粒子画像計測法)により速度場の計測と流体温度計測を実施した。実験パラメータはエルボ出口からT字合流部までの距離及びエルボの曲率半径である。実験により、曲率半径の大小(はく離の有無)に応じて、エルボとT字合流部との距離を適切に定めることで流体混合による高サイクル熱疲労の発生を緩和する手法を提案した。