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論文

Scalar spin chirality Nernst effect

Go, G.*; Goli, D. P.*; 江崎 蘭世; Tserkovnyak, Y.*; Kim, S. K.*

Physical Review Research (Internet), 7(2), p.L022066_1 - L022066_7, 2025/06

https://doi.org/10.1103/y3m6-25rw

It remains an open question whether or not the scalar spin chirality itself can exhibit a Hall-type transport. In this work, we show that the answer is yes: The scalar spin chirality is Hall-transported in Kagome ferromagnets and antiferromagnets under an external bias, engendering a phenomenon which we dub the scalar spin chirality Nernst effect. Our findings call for the need to lift the conventional assumption that the scalar spin chirality is a static quantity in order to discover the active roles of the scalar spin chirality in transport properties.

論文

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 Ti$$_{2}$$MnAl. 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 Ti$$_{2}$$MnAl. This finding provides a guiding principle for designing highly efficient SOT devices using the topological nature of ferrimagnetic Weyl semimetals.

論文

Orbital moir$'e$ and quadrupolar triple-q physics in a triangular lattice

服部 一匡*; 石飛 尊之; 常次 宏一*

Physical Review Research (Internet), 6(4), p.L042068_1 - L042068_7, 2024/12

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.L042068

We numerically study orders of planer type $$(xy,x^2 -y^2)$$ quadrupoles on a triangular lattice with nearest-neighbor isotropic $$J$$ and anisotropic $$K$$ interactions. This type of quadrupoles possesses unique single-ion anisotropy proportional to a third order of the quadrupole moments. This provides an unconventional mechanism of triple-$$q$$ orders which does not exist for the degrees of freedom with odd parity under time-reversal operation such as magnetic dipoles. In addition to several single-$$q$$ orders, we find various orders including incommensurate triple-$$q$$ quasi-long-range orders with orbital moire and a four-sublattice triple-$$q$$ partial order. Our Monte-Carlo simulations demonstrate that the phase transition to the latter triple-$$q$$ state belongs to the universality class of the critical line of the Ashkin-Teller model in two dimensions close to the four-state Potts class. These results indicate a possibility of realizing unique quadrupole textures in simple triangular systems.

論文

Lattice study of SU(2) gauge theory coupled to four adjoint Higgs fields

Catumba, G.*; 平口 敦基; Hou, W.-S.*; Jansen, K.*; Kao, Y.-J.*; David Lin, C.-J.*; Ramos, A.*; Sarkar, M.*

Physical Review Research (Internet), 6(4), p.043172_1 - 043172_12, 2024/11

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.043172

様々な表現の物質場と結合するゲージ理論は、物理学の様々な分野で重要な役割を果たしている。最近、銅酸化物超伝導体の最適ドーピング近傍の興味深い擬ギャップ相のいくつかの側面が、発現したSU(2)ゲージ対称性によって説明できるかもしれないことが提案された。ホールドーピングによる転移付近では、4つの随伴スカラー場と結合した(2+1)次元SU(2)ゲージ理論を構築することができ、異なる破れた対称性を持つ様々な相が存在する豊かな相図を与える。我々は、ハイブリッドモンテカルロ法を用いて、ユークリッド格子上でこのモデルの相図を研究した。その結果、これまでの平均場の研究で予言されていたように、対称性が破れた複数の相が存在することがわかった。4点相互作用によって、摂動論の範囲ではこの理論のSU(2)ゲージ対称性はU(1)か$$mathbb{Z}_2$$に分解される。さらに、我々はこの理論における閉じ込め-非閉じ込め転移を評価し、我々が研究した格子体積の範囲では、どちらの破れた相も非閉じ込め相であることを見いだした。しかしながら、ポリヤコフループの振る舞いには2つの相で顕著な違いがあることがわかった。

論文

Phase and contrast moir$'e$ signatures in two-dimensional cone beam interferometry

Sarenac, D.*; Gorbet, G.*; Clark, C. W.*; Cory, D. G.*; Ekinci, H.*; Henderson, M. E.*; Huber, M. G.*; Hussey, D. S.*; Kapahi, C.*; Kienzle, P. A.*; et al.

Physical Review Research (Internet), 6(3), p.L032054_1 - L032054_8, 2024/09

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.L032054

Neutron interferometry has played a distinctive role in fundamental science and characterization of materials. Moir$'e$ neutron interferometers are candidate next-generation instruments: they offer microscopy-like magnification of the signal, enabling direct camera recording of interference patterns across the full neutron wavelength spectrum. Here we demonstrate the extension of phase-grating moir$'e$ interferometry to two-dimensional geometries. Our measurements of phase topologies and gravitationally induced phase shifts are in good agreement with theory.

論文

Magnetic excitation in the hyperkagome antiferromagnet Mn$$_{3}$$RhSi

社本 真一; 山内 宏樹; 飯田 一樹*; 池内 和彦*; 金子 耕士; Chen, Y.-S.*; 矢野 真一郎*; Hsu, P.-T.*; Lee, M. K.*; Hall, A. E.*; et al.

Physical Review Research (Internet), 6(3), p.033303_1 - 033303_7, 2024/09

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.033303

Mn$$_{3}$$RhSiの磁気励起は少なくとも0.3から140meVに広がる。200Kでの非弾性散乱強度を積分することで、Mnサイト当たり約5$$mu_{B}$$の磁気モーメントは、約5$$mu_{B}$$であることがわかった。一方で、長距離磁気秩序の磁気モーメントは4Kでわずか2.61$$mu_{B}$$であり、多くの部分が低温まで揺らいでいることがわかった。

論文

Magnonic $$varphi$$ Josephson junctions and synchronized precession

仲田 光樹; Zou, J.*; Klinovaja, J.*; Loss, D.*

Physical Review Research (Internet), 6(3), p.033207_1 - 033207_11, 2024/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.033207

We uncover theoretically that a surprisingly rich dynamics can emerge in magnetic junctions due to intrinsic non-local damping, using analytical and numerical methods. In particular, under microwave pumping, we show that coherent spin precession in the right and left insulating ferromagnet (FM) of the junction becomes synchronized by non-local damping and thereby a magnonic analog of the $$varphi$$ Josephson junction emerges, where $$varphi$$ stands here for the relative precession phase of right and left FM in the stationary limit. Remarkably, $$varphi$$ decreases monotonically from $$ pi$$ to $$pi/2$$ as the magnon-magnon interaction, arising from spin anisotropies, increases. Moreover, we also find a magnonic diode effect giving rise to rectification of magnon currents. Our predictions are readily testable with current device and measurement technologies at room temperatures.

論文

Excitation spectrum and spin Hamiltonian of the frustrated quantum Ising magnet Pr$$_{3}$$BWO$$_{9}$$

Nagl, J.*; Flavi$'a$n, D.*; Hayashida, S.*; Povarov, K. Y.*; Yan, M.*; 村井 直樹; 河村 聖子; Simutis, F.*; Hicken, T. J.*; Luetkens, H.*; et al.

Physical Review Research (Internet), 6(2), p.023267_1 - 023267_18, 2024/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.023267

We investigate the rare-earth-based frustrated quantum antiferromagnet Pr$$_{3}$$BWO$$_{9}$$, previously considered a spin-liquid candidate. Our experimental and theoretical analysis reveals that its ground state is better described as a quantum paramagnet, governed by an Ising model in a transverse field. While in-plane correlations exist, the dominant interactions form frustrated triangular spin tubes via competing ferro-antiferromagnetic bonds. The system's thermodynamic and dynamic properties are significantly influenced by hyperfine interactions and weak structural disorder.

論文

Nuclear quantum effect on the elasticity of ice VII under pressure; A Path-integral molecular dynamics study

土屋 旬*; 志賀 基之; 常行 真司*; Thompson, E. C.*

Physical Review Research (Internet), 6(2), p.023302_1 - 023302_6, 2024/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.023302

第一原理経路積分分子動力学計算を用いて、水素原子の核量子効果が高圧・常温条件下での氷VIIの弾性に及ぼす影響を調べた。その結果、40GPa以上の圧力において、氷VIIの静的無秩序構造から動的無秩序構造への転移に対して核量子効果が寄与していることがわかった。この転移は弾性定数の不連続な増加によって特徴づけられる。第一原理分子動力学計算と第一原理経路積分分子動力学計算の比較から、核量子効果によって70GPa, 300Kにおける氷の弾性定数が約20%増加することが明らかになった。

論文

Cone beam neutron interferometry; From modeling to applications

Sarenac, D.*; Gorbet, G.*; Kapahi, C.*; Clark, C. W.*; Cory, D. G.*; Ekinci, H.*; Garrad, D. V.*; Henderson, M. E.*; Huber, M. G.*; Hussey, D.*; et al.

Physical Review Research (Internet), 6(2), p.023260_1 - 023260_15, 2024/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.023260

Phase-grating moire interferometers (PGMIs) have emerged as promising candidates for the next generation of neutron interferometry, enabling the use of a polychromatic beam and manifesting interference patterns that can be directly imaged by existing neutron cameras. However, the modeling of the various PGMI configurations is limited to cumbersome numerical calculations and backward propagation models which often do not enable one to explore the setup parameters. Here we generalize the Fresnel scaling theorem to introduce a k-space model for PGMI setups illuminated by a cone beam, thus enabling an intuitive forward propagation model for a wide range of parameters and experimental setups.

論文

Observation of high-pressure polymorphs in bulk silicon formed at relativistic laser intensities

Rapp, L.*; 松岡 健之*; Firestein, K. L.*; 寒河江 大輔*; 羽原 英明*; 向井 啓一郎*; 田中 和夫*; Gamaly, E. G.*; 兒玉 了祐*; 瀬戸 雄介*; et al.

Physical Review Research (Internet), 6(2), p.023101_1 - 023101_18, 2024/04

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.023101

固体表面に超相対論的強度のレーザーパルスを照射すると表面にプラズマが発生し、内部は超高圧状態になることが知られている。本研究ではシリコン単結晶に当該レーザーを照射し、内部に生成された高圧相の結晶構造分析をBL22XU(JAEA-BL)の応力・イメージングステーションの回折システムにより実施した。その結果、内部には体心、菱面体、六方晶、正方晶というシリコンが持つといわれている高圧相の存在が確認された。今後は、さらにデータの蓄積を図り、材料内部の構造、強度、機能性制御への発展を図っていきたいと考えている。

論文

Quantum critical behavior of the hyperkagome magnet Mn$$_3$$CoSi

山内 宏樹; Sari, D. P.*; 安井 幸夫*; 坂倉 輝俊*; 木村 宏之*; 中尾 朗子*; 大原 高志; 本田 孝志*; 樹神 克明; 井川 直樹; et al.

Physical Review Research (Internet), 6(1), p.013144_1 - 013144_9, 2024/02

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.013144

$$beta$$-Mn-type family alloys Mn$$_3$$$$TX$$ have three-dimensional antiferromagnetic (AFM) corner-shared triangular network. The antiferromagnet Mn$$_3$$RhSi shows magnetic short-range order (SRO) over a wide temperature range of approximately 500 K above the N$'{e}$el temperature $$T_{rm N}$$ = 190 K. Mn$$_3$$CoSi has the smallest lattice parameter and the lowest $$T_{rm N}$$ in the family compounds. The quantum critical point (QCP) from AFM to the quantum paramagnetic state is expected near a cubic lattice parameter of 6.15 $AA. Although $T_N$$ of Mn$$_3$$CoSi is only 140 K, quantum critical behavior is observed in Mn$$_3$$CoSi as the enhancement of the electronic specific heat coefficient $$gamma$$. We study how the magnetic SRO appears in Mn$$_3$$CoSi by using neutron scattering, $$mu$$SR, and physical property measurements. The experimental results show that the neutron scattering intensity of the magnetic SRO does not change much regardless of the suppressed magnetic moment in the long-range magnetic ordered state compared to those of Mn$$_3$$RhSi. The initial asymmetry drop ratio of $$mu$$SR above $$T_{rm N}$$ becomes small, and the magnetic SRO temperature $$T_{SRO}$$ is suppressed to 240 K. The results suggest that the Mn$$_3$$CoSi is close to the QCP in the Mn$$_3$$$$TX$$ system.

論文

Magnetic boson peak in classical spin glasses

古府 麻衣子; 河村 聖子; 村井 直樹; 石井 梨恵子*; 平井 大悟郎*; 有馬 寛*; 舟越 賢一*

Physical Review Research (Internet), 6(1), p.013006_1 - 013006_9, 2024/01

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.013006

We revisited spin dynamics in archetypical classical spin glass systems, such as Cu$$_{1-x}$$Mn$$_{x}$$ ($$x = 0.017$$, 0.034, and 0.067) dilute alloys and iron aluminosilicate glass using a modern neutron scattering spectrometer with high neutron flux. The former is crystalline, and the latter is amorphous, where their spin glass state is well separated from magnetically ordered phases. Bose-scaled localized magnetic excitations were observed in both compounds below the spin-freezing temperature ($$T_{rm f}$$). The spectrum exhibits a maximum at low energy and a broad tail on the high-energy side. The excitation energy tends to be higher for the material with a higher $$T_{rm f}$$. Above the $$T_{rm f}$$, the spectrum considerably changes with temperature, thereby indicating the emergence of the magnetic relaxation process. The magnetic excitation in the spin glass state has much in common with the boson peak in structural glasses. We consider that the Bose-scaled broad excitation peak is an elementary excitation inherent in disordered systems.

論文

DC transport in a dissipative superconducting quantum point contact

Visuri, A.-M.*; Mohan, J.*; 内野 瞬; Huang, M.-Z.*; Esslinger, T.*; Giamarchi, T.*

Physical Review Research (Internet), 5(3), p.033095_1 - 033095_11, 2023/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.5.033095

粒子ロスのある量子ポイントコンタクト系のカレント・バイアス特性を研究する。Keldysh形式を採用し、チャンネルの透過率を変化させた場合のカレントを計算した。透過率の低い場合は、散逸により低バイアス領域でのカレントの増大、散逸に対する非単調性、輸送特性における新しい構造の出現が見られる。粒子ロスによる散逸の効果は、熱浴内の有限温度効果や非弾性散乱効果とは定性的に異なることがわかった。

論文

Remnants of the nonrelativistic Casimir effect on the lattice

中山 勝政*; 鈴木 渓

Physical Review Research (Internet), 5(2), p.L022054_1 - L022054_6, 2023/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.5.L022054

カシミール効果は、何らかの量子場から生じるゼロ点エネルギーが空間的な境界条件の存在によって変化することを起源とする量子現象であり、一粒子エネルギーが運動量について線形に増加するような「相対論的な」量子場(電磁場など)に関しては過去の理論的・実験的な研究によって一定の理解が得られている。一方で、分散関係が二次となる「非相対論的な」量子場も世の中には数多く存在するが、そのような系にもカシミール効果が存在するのか否かはそれほど自明でない。本論文では、様々な分散関係を持つ格子上の量子場のカシミール効果が存在(または消失)する条件について、理論的な考察を行った。特に、偶数次の分散関係を持つような量子場を調べたところ、二つの境界間の距離が長距離のときカシミール効果が消失するが、短距離のときにのみ特異的な「名残」が残る例(remnant Casimir effect)を発見した。このような現象の発見は、有限サイズの格子構造からなる量子系(例えば、3次元物質の薄膜、2次元物質のナノリボンやナノチューブ、1次元物質のナノワイヤなど)の物理量の理解や解釈に役立つことが期待される。また、一般に、質量(ギャップ)を持つ量子場では、質量の無い(ギャップレスな)量子場と比べてカシミール効果が弱くなることが知られているが、この性質について今回の発見を応用した再解釈を与える。

論文

Anisotropic enhancement of lower critical field in ultraclean crystals of spin-triplet superconductor candidate UTe$$_2$$

石原 滉大*; 小林 雅之*; 今村 薫平*; Konczykowski, M.*; 酒井 宏典; Opletal, P.; 常盤 欣文; 芳賀 芳範; 橋本 顕一郎*; 芝内 孝禎*

Physical Review Research (Internet), 5(2), p.L022002_1 - L022002_6, 2023/04

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.5.L022002

重い電子系超伝導UTe$$_2$$の下部臨界磁場$$H_{rm c1}$$を決定した。直方晶UTe$$_2$$は$$a$$軸が磁化容易軸であるがそれと垂直方向の磁場中では$$H_{rm c1}$$が増強されかつ低温で上昇するという特徴を持つことを明らかにした。上部臨界磁場の異方性と比較することにより磁気揺らぎが超伝導に影響を与えていることが示唆された。

論文

Spin conductivity spectrum and spin superfluidity in a binary Bose mixture

関野 裕太*; 田島 裕之*; 内野 瞬

Physical Review Research (Internet), 5(2), p.023058_1 - 023058_12, 2023/04

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.5.023058

スピン超流動性を示す混成2成分ボース・アインシュタイン凝縮体(BEC)のスピン伝導度のスペクトルを調べる。Bogoliubov理論を用いて、有限の交流周波数におけるスピン伝導度、および、スピンDrude weightを特徴づけるregular partを解析的に計算し、ゼロ周波数におけるデルタ関数のピークを求めた。このスペクトルは低周波でべき乗の振る舞いを示し、このBECに特有のギャップレス密度モードとスピンモードを反映していることが示された。また、非混和相と量子液滴相への相転移点では、準粒子分散関係の変化により、べき乗則が修正される。また、スピンDrude weightが有限となり、スピン超流動のためにスピン抵抗がゼロであることが示された。また、スピン伝導度スペクトルを測定することで、Andreev-Bashkinドラッグ密度にアクセスできることが示唆された。

論文

Optical spin conductivity in ultracold quantum gases

関野 裕太*; 田島 裕之*; 内野 瞬

Physical Review Research (Internet), 4(4), p.043014_1 - 043014_16, 2022/10

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.043014

凝縮系物理において未だに観測されていないバルクのACのスピン伝導率が冷却原子気体により測定可能となることを示す。また、このスピン伝導率は、量子多体系を特徴づける重要な情報を含んでいることがわかった。冷却原子気体において実現されている、超流動系や朝永・Luttinger液体などで実際にACスピン伝導率を解析し、よく知られたDrude伝導率とは全く異なるスペクトルが得られることを実際に示した。我々の提案したフォーマリズムはスピン軌道相互作用のある系や非平衡系にも適用可能であり、様々な応用が期待される。

論文

Zeeman effects on Yu-Shiba-Rusinov states

町田 理*; 永井 佑紀; 花栗 哲郎*

Physical Review Research (Internet), 4(3), p.033182_1 - 033182_12, 2022/09

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.033182

重元素化合物や高温超伝導体をはじめとする物性科学における重要な系では、電子の相関効果が非常に重要である。本論文では、超高分解能の走査型トンネル顕微鏡によって、meVスケールの低エネルギー励起状態の磁場依存性を測定することに成功したことを報告する。その測定の結果、系の基底状態のスピン状態の変化を実験によって観測することができた。また、本研究によって、電子のスピンに関する情報を高精度に測定できる手法が確立された。

論文

Two-step Mott transition in Ni(S,Se)$$_2$$; $$mu$$SR studies and charge-spin percolation model

Sheng, Q.*; 金子 竜也*; Yamakawa, Kohtaro*; Guguchia, Z.*; Gong, Z.*; Zhao, G.*; Dai, G.*; Jin, C.*; Guo, S.*; Fu, L.*; et al.

Physical Review Research (Internet), 4(3), p.033172_1 - 033172_14, 2022/09

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.033172

A pyrite system NiS$$_{2-x}$$Se$$_x$$ exhibits a bandwidth controlled Mott transition via (S,Se) substitutions in a two-step process: the antiferromagnetic insulator (AFI) to antiferromagnetic metal (AFM) transition at $$xsim$$0.45 followed by the AFM to paramagnetic metal (PMM) transition at $$xsim$$1.0. Among a few other Mott systems which exhibit similar two-step transitions, Ni(S,Se)$$_2$$ is of particular interest because a large intermediate AFM region in the phase diagram would provide unique opportunities to study the interplay between the spin and charge order. By comparing and combining our muon spin relaxation studies and previous neutron scattering studies, here we propose a picture where the spin order is maintained by the percolation of "nonmetallic" localized and dangling Ni moments surrounded by S, while the charge transition from AFI to AFM is caused by the percolation of the conducting paths generated by the Ni-Se-Ni bonds.

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