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荒木 康史; 家田 淳一
Journal of the Physical Society of Japan, 92(7), p.074705_1 - 074705_9, 2023/06
被引用回数：0 パーセンタイル：0(Physics, Multidisciplinary)トポロジカル絶縁体は電子が波数空間でトポロジカル構造を持つことにより、様々な非自明な電磁応答現象を示す。一方で、現在用いられているインダクタ・キャパシタの動作原理は、マクスウェル方程式によって記述される古典電磁気学に基づいている。本研究では絶縁体中のトポロジカル電磁応答が、磁性体中の磁化ダイナミクスと組み合わさることにより、インダクタンス・キャパシタンスを生み出すことを示す。まず、トポロジカル場の理論に基づいて、複素インピーダンスを導出する理論的枠組みを提案する。次にその理論に基づき、接合系のセットアップでインダクタンス・キャパシタンスが発現することを示す。金属磁性体における創発インダクタンスに関する先行研究と比較すると、トポロジカル絶縁体はジュール熱を抑制できるため、素子内での電力損失を大幅に抑制することができる。これによって、トポロジカル電磁応答に起因したインダクタンスは弱電流・高周波数での動作を可能とし、更に電力効率の面でも高い品質係数(Q値)を実現できることを示す。
山根 結太*; 深見 俊輔*; 家田 淳一
Physical Review Letters, 128(14), p.147201_1 - 147201_6, 2022/04
被引用回数：3 パーセンタイル：58.88(Physics, Multidisciplinary)らせん磁性体で最近発見された創発インダクタンスの理論を、空間反転対称性が破れた場合に生じるスピン軌道相互作用を考慮に入れることで任意の磁気テクスチャに拡張する。強磁性体中電子の動的アハロノフ-キャッシャー位相に基づく定式化で、スピン軌道創発インダクタンスの新概念提案を行う。スピン軌道創発インダクタンスは、空間的に一様な磁化でも磁性とスピン軌道相互作用の共存で普遍的に生じ、広範囲の温度と周波数で安定した動作を実現する。空間反転非対称性を備えた強磁性体を含む広く研究されている実験系を、本研究が提供する新しい視点で再考することで、超広帯域周波数範囲でのスピン軌道物理学とスピントロニクスベースの電力管理の研究に新しいパラダイムを開くことにつながる。
家田 淳一; 山根 結太*
Physical Review B, 103(10), p.L100402_1 - L100402_5, 2021/03
被引用回数：14 パーセンタイル：79.58(Materials Science, Multidisciplinary)The emergent induction of spiral magnets that was proposed [Nagaosa, Jpn. J. Appl. Phys. 58, 120909 (2019)] and recently demonstrated [Yokouchi et al., Nature 586, 232 (2020)] is shown to be further extended by a comprehensive treatment of the Rashba spin-orbit coupling and the electron spin relaxation that affect the underlying processes of spin-transfer torque and spinmotive force. Within adiabatic approximation, we show that the output voltages are widely altered intrinsically via the Rashba effect whereas extrinsically via the nonadiabatic correction due to the spin relaxation and sample disorder. The findings respectively clarify the origins for the amplitude modulation and sign change of the emergent inductance with tunability by electrical gating and careful sample preparation.
家田 淳一
no journal, ,
We present a theory of emergent inductors based on two well-established spintronics effects: spin-transfer torque (STT) and spinmotive force (SMF) within the adiabatic approximation of magnetization dynamics. The focus is on the nonadiabatic contributions of the STT and SMF, which can explain the unique characteristics such as the negative value and temperature dependence of the emergent inductance observed recently.
家田 淳一; 山根 結太*
no journal, ,
創発インダクタンスの制御可能性について、ラシュバスピン軌道相互作用による内因的な影響と磁気構造の並進運動に対するピン留め効果に由来する外因的な影響を理論的に検討する。
家田 淳一; 山根 結太*
no journal, ,
電流によるスピントルクで磁化構造が運動状態になると、その反作用としてスピン起電力が生じる。この一連の過程を回路に生じたインダクタンスと見なす、いわゆる「創発インダクタンス」に注目が集まっている。目下の課題として、インダクタンスの符号が正負どちらも観測されており、その物理機構の解明が求められている。本講演では、モデル系として周期ポテンシャル中にトラップされた磁壁の交流電流駆動を集団座標の方法で調べ、上述の課題に対する見解を示す。
家田 淳一
no journal, ,
半導体技術の中核とも言える電界効果は、電界効果トランジスタの発明など大きな波及効果をもたらしている。ごく最近、磁気ダイナミクスを利用した新しいインダクタ原理が発見された。本講演では、電界による磁気ダイナミクスの制御を通じて電界による可変インダクタンスが実現できることを理論的に提案する。
荒木 康史; 家田 淳一
no journal, ,
トポロジカル絶縁体(TI)における電子と電磁場の結合は、量子異常ホール効果、電荷の断熱的ポンピング等、古典電磁気学から逸脱した電磁応答(トポロジカル電磁応答)を生み出す。特に、磁性体と結合したTIの場合は、トポロジカル電磁応答はスピン軌道相互作用を介して磁化ダイナミクスとも結合する。このようなトポロジカル電磁応答は、金属中における通常の電磁応答と異なり、電気抵抗(ジュール熱)によるエネルギー損失が無いという特徴を持つ。本講演では、このようなトポロジカル電磁応答と磁化ダイナミクスの結合により、磁性体と結合したTIが、インダクタ及びキャパシタ機能を得ることを示す。バルク電子によるエネルギー損失が無いことから、TIではエネルギー効率の極めて高いインダクタ・キャパシタを実現できることが期待される。その理論的な枠組みとして、トポロジカル電磁応答を記述するトポロジカル場の理論から、全系の電流-電圧特性を記述する有効理論を導出するプロセスを、系の次元性によらず一般的な形で示す。次に具体例として、3次元TIと強磁性絶縁体の接合界面に着目し、その複素インピーダンスを試算した結果を示す。磁性体の強磁性共鳴周波数(1-10GHz程度)以下ではインダクタンスが優位となり、そのエネルギー効率を特徴づけるQ値は最大で10-100程度となる。金属磁性体の磁化ダイナミクスを用いた「創発インダクタ」に関する先行研究と比較すると、Q値を1000倍以上向上することができ、商業流通する最高品質のインダクタとも遜色ない値となる。更に、小さい断面積で高いインダクタンスを得られるため、高周波信号処理回路の集積化・省電力化に高い威力を発揮することが期待される。
荒木 康史; 家田 淳一
no journal, ,
We theoretically propose novel functionalities of inductance and capacitance in heterostructures of topological insulators and magnets. Topological insulators show anomalous responses between electricity and magnetism, which are described not by the conventional Maxwell's equations, but by topological quantum field theory. Based on topological quantum field theory, we establish a unified theoretical framework applicable in arbitrary dimensions, to extract inductance and capacitance in topological insulators. We demonstrate the emergence of inductance and capacitance in several magnetic heterostructure setups, and show their advantages in achieving high operation frequency and high power efficiency.
荒木 康史; 家田 淳一
no journal, ,
We theoretically propose novel functionalities of inductance and capacitance in heterostructures of topological insulators and magnets. Topological insulators show anomalous responses between electricity and magnetism, which are described not by the conventional Maxwell's equations, but by topological quantum field theory. Based on topological quantum field theory, we establish a unified theoretical framework applicable in arbitrary dimensions, to extract inductance and capacitance in topological insulators. We demonstrate the emergence of inductance and capacitance in several magnetic heterostructure setups, and show their advantages in achieving high operation frequency and high power efficiency.
