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杉本 聡志*; 荒木 康史; 高橋 有紀子*; 家田 淳一; 葛西 伸哉*
Communications Physics (Internet), 8, p.100_1 - 100_9, 2025/03
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Multidisciplinary)Current-induced spin-orbit torque (SOT) at heavy metal/ferromagnet (HM/FM) interfaces plays a critical role in modern spintronics. The challenges in SOT research are to enhance the conversion efficiency and generate unconventional torque components. Here, we propose a simple protocol to meet such demands by engineering symmetrical structures, specifically by a wedge-shaped topological material interface in R-3m Bi
Te
(001)/FM heterostructures. The symmetry of the topological interface is manipulated to lead to unconventional emergences of both out-of-plane and in-plane spin polarizations. Torque measurements show that these polarizations have conversion efficiencies up to 10 percent. This considerable improvement in the SOT efficiency is characterized both qualitatively and quantitatively based on the nonreciprocal ferromagnetic resonance (FMR) spectra and the SOT dependence on the magnetic field direction. The observed enhancement in the unconventional SOT is attributed to the wedge-oriented symmetry reduction of the spin-momentum locking structure of interfacial Dirac fermions. This advance opens new avenues for designing geometrically novel spintronics devices, demonstrating the potential of using multidirectional SOTs for forthcoming nanotechnological applications.
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：1 パーセンタイル：0.00(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。
中山 勝政*; 鈴木 渓
Proceedings of Science (Internet), 430, p.379_1 - 379_9, 2023/04
本来のカシミール効果は連続時空上に存在する量子場から創発する物理現象であり、理論的にも信頼性の高い定式化が達成されているが、「格子」上に定義された空間(例えば、固体の結晶構造など)において、カシミール効果に相当する物理現象を定式化し、その性質を明らかにすることは重要なテーマである。本会議録では、格子上の様々な量子場に起因するカシミール効果の性質に関する近年の研究成果について報告する。まず、格子空間上のカシミールエネルギーを定義し、格子上のフェルミ粒子の一種であるウィルソン・フェルミオンによるカシミール効果が連続時空上のディラック粒子によるものと極めて似た性質となることを示す。さらに、Cd
As
やNaBiなどのディラック半金属を記述する有効ハミルトニアンを用いた解析により、この系のカシミールエネルギーが半金属薄膜の厚さの関数として振動することを示す。また、電子系に磁場をかけることで生じるランダウ量子化による影響や格子上の非相対論的量子場によるカシミール効果の性質についても報告する。
石川 力*; 中山 勝政*; 鈴木 渓
Physical Review D, 104(9), p.094515_1 - 094515_11, 2021/11
被引用回数：7 パーセンタイル：42.80(Astronomy & Astrophysics)「ウィルソン・フェルミオン」と呼ばれる格子上のフェルミ粒子に対する近藤効果を記述する模型を構築し、様々な物理現象の予言・解明を行った。模型として、軽いウィルソン・フェルミオンと重いフェルミオンとの4点相互作用を含むカイラルGross-Neveu模型に対する平均場アプローチを用いた。結果として、ゼロ質量のウィルソン・フェルミオンからなる有限密度媒質において近藤効果が実現可能であることを示し、それに伴う近藤凝縮と軽いフェルミオン対の凝縮(スカラー凝縮)との共存相が存在可能であることを示した。このとき、スカラー凝縮が消える臨界的な化学ポテンシャルの値は近藤効果によってシフトする。さらに、負質量を持つウィルソン・フェルミオンにおいては、パリティ対称性が自発的に破れた相(Aoki phase)が生じることが知られているが、Aoki phaseが生じるパラメータ領域近傍で近藤効果も増幅されることを示した。本研究の発見は、ディラック半金属,トポロジカル絶縁体などの物質や、将来的な格子シミュレーションにおける不純物の役割を明らかにするために役立つことが期待される。
石川 力*; 中山 勝政*; 鈴木 渓
Physical Review Research (Internet), 3(2), p.023201_1 - 023201_23, 2021/06
カシミール効果は、何らかの粒子のゼロ点エネルギーが2枚の平行平板の存在によって歪められることによって生じる物理現象である。格子上の自由度においては、エネルギーと運動量の分散関係はブリルアンゾーンの範囲で周期性を持つため、それに対応してカシミール効果も変化するはずである。本研究では、ナイーブ・フェルミオン,ウィルソン・フェルミオン,(メビウス・ドメインウォール・フェルミオン定式化に基づく)オーバーラップ・フェルミオンなどの格子フェルミオン系におけるカシミール効果の性質を理論的に調べた。特に、
, 
, 
次元において周期境界条件または反周期境界条件を持つ系について系統的な解析を行った。中でも、ナイーブ・フェルミオン,負質量を持つウィルソン・フェルミオン,domain-wall heightが大きい場合のオーバーラップ・フェルミオンなどの系において、奇数格子と偶数格子の間でカシミールエネルギーの大きさが振動する現象が見られた。この振動現象は、高運動量を持つ自由度(ダブラー)の存在に起因している。このような新奇なカシミール効果は、トポロジカル絶縁体のような物性系の実験や格子シミュレーションによって将来的に検証されることが期待される。
石川 力*; 中山 勝政*; 鈴木 渓
Physics Letters B, 809, p.135713_1 - 135713_7, 2020/10
被引用回数：15 パーセンタイル：80.00(Astronomy & Astrophysics)本論文では、相互作用のない格子フェルミオンにおけるカシミールエネルギーの定義を世界で初めて提案する。我々はこの定義を用いることで、空間方向に周期境界条件や半周期境界条件が課された1+1次元時空におけるナイーブ・フェルミオン,ウィルソン・フェルミオン,(メビウス・ドメインウォール・フェルミオン定式化に基づく)オーバーラップ・フェルミオンに対するカシミール効果の性質を調べた。ナイーブ・フェルミオンにおいては、奇数個・偶数個の格子に対してカシミールエネルギーが交互に振動するという結果が得られた。ウィルソン・フェルミオンにおいては、格子サイズが
の領域で、連続理論のディラック粒子におけるカシミールエネルギーとよく一致する結果が得られた。この結果は、格子シミュレーションによってカシミール効果を測定する際に、ウィルソン・フェルミオンによる格子正則化を用いることで離散化誤差をよく制御できることを意味している。さらに、(メビウス・ドメインウォール・フェルミオン定式化に基づく)オーバーラップ・フェルミオンはトポロジカル絶縁体の表面モードに対応しており、様々なモデルパラメータ依存性も調べた。これらの発見は、対応する格子構造を持つ物性系や、格子上の数値シミュレーションによっても検証されることが期待される。
Te
Shikin, A. M.*; Estyunin, D. A.*; Klimovskikh, I. I.*; Filnov, S. O.*; Kumar, S.*; Schwier, E. F.*; 宮本 幸治*; 奥田 太一*; 木村 昭夫*; 黒田 健太*; et al.
Scientific Reports (Internet), 10, p.13226_1 - 13226_13, 2020/08
被引用回数：73 パーセンタイル：95.64(Multidisciplinary Sciences)Modification of the gap at the Dirac point (DP) in axion antiferromagnetic topological insulator MnBiTe and its electronic and spin structure have been studied by angle- and spin-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) under laser excitation at various temperatures, light polarizations and photon energies. We have distinguished both large and reduced gaps at the DP in the ARPES dispersions, which remain open above the N
el temperature of 
= 24.5 K. We propose that the gap above remains open due to a short-range magnetic field generated by chiral spin fluctuations. Spin-resolved ARPES, XMCD and circular dichroism ARPES measurements show a surface ferromagnetic ordering for the large gap sample and apparently significantly reduced effective magnetic moment for the reduced gap sample.
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.
V
Te角田 一樹*; 鹿子木 将明*; Reimann, J.*; Nurmamat, M.*; 後藤 伸一*; 竹田 幸治; 斎藤 祐児; Kokh, K. A.*; Tereshchenko, O. E.*; G
dde, J.*; et al.
New Journal of Physics (Internet), 21(9), p.093006_1 - 093006_8, 2019/09
被引用回数：11 パーセンタイル：59.32(Physics, Multidisciplinary)We systematically investigate the magnetic, structural and electronic properties and the ultrafast carrier dynamics in a series of V-doped SbTe samples of composition SbVTe with x = 0, 0.015 and 0.03. Element specific X-ray magnetic circular dichroism signifies that the ferromagnetism of V-doped SbTe is governed by the p-d hybridization between the host carrier and the magnetic dopant. Time- and angle-resolved photoemission spectroscopy has revealed that the V impurity induced states underlying the topological surface state (TSS) add scattering channels that significantly shorten the duration of transient surface electrons down to 100 fs scale. This is in a sharp contrast to the prolonged duration reported for pristine samples though the TSS is located inside the bulk energy gap of the host in either magnetic or non-magnetic cases. It implies the presence of a mobility gap in the bulk energy gap region of the host material.
(Sb
Bi)
TeYe, M.*; Xu, T.*; Li, G.*; Qiao, S.*; 竹田 幸治; 斎藤 祐児; Zhu, S.-Y.*; Nurmamat, M.*; 角田 一樹*; 石田 行章*; et al.
Physical Review B, 99(14), p.144413_1 - 144413_7, 2019/04
被引用回数：15 パーセンタイル：56.37(Materials Science, Multidisciplinary)We investigate the microscopic origin of ferromagnetism coupled with topological insulators in V-doped (Sb,Bi)Te employing X-ray magnetic circular dichroism and angle-resolved two-photon photoemission spectroscopies, combined with first-principles calculations. We found an magnetic moment at the Te site anti-parallel to that of the V and Sb sites, which plays a key role in the ferromagnetic order. We ascribe it to the hybridization between Te 5
and V 3
majority spin states at the Fermi energy, consistent with the Zener-type - exchange interaction scenario. The substitution of Bi for Sb suppresses the bulk ferromagnetism by introducing extra electron carriers in the majority spin channel of the Te states that compensates the antiparallel magnetic moment on the Te site. Our findings reveal important clues to designing magnetic topological insulators with higher Curie temperature that work under ambient conditions.
Shikin, A. M.*; Estyunin, D. A.*; Surnin, Yu. I.*; Koroleva, A. V.*; Shevchenko, E. V.*; Kokh, K. A.*; Tereshchenko, O. E.*; Kumar, S.*; Schwier, E. F.*; 島田 賢也*; et al.
Scientific Reports (Internet), 9(1), p.4813_1 - 4813_17, 2019/03
被引用回数：19 パーセンタイル：64.32(Multidisciplinary Sciences)A new kind of magnetically-doped antiferromagnetic (AFM) topological insulators (TIs), Bi
Gd
Sb
Te, has been studied by angle-resolved photoemission, superconducting magnetometry (SQUID) and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD). It has been shown that this TI is characterized by the Dirac gap at the Fermi level. In the paramagnetic phase, a surface magnetic layer is supposed to develop, where the coupling between the Gd magnetic moments is mediated by the topological surface states (TSSs). This assumption can be confirmed by opening a gap at the Dirac point indicated by the surface-sensitive ARPES, a weak hysteresis loop measured by SQUID, the XMCD showing a surface magnetic moment and the temperature dependence of electrical resistance demonstrating a mid-gap semiconducting behavior, which correlates with the temperature dependence of the surface magnetization and confirms the conclusion that only TSSs are located at the Fermi level.
TeYe, M.*; Li, W.*; Zhu, S.-Y.*; 竹田 幸治; 斎藤 祐児; Wang, J.*; Pan, H.*; Nurmamat, M.*; 角田 一樹*; Ji, F.*; et al.
Nature Communications (Internet), 6, p.8913_1 - 8913_7, 2015/11
被引用回数：60 パーセンタイル：90.28(Multidisciplinary Sciences)磁性元素を添加したトポロジカル絶縁体は、量子異常ホール効果や無散逸伝導などの魅力的な現象の発現が予言され、低消費電力スピンデバイスの開発につながっていくものと期待されている。既に、いくつかの磁性添加トポロジカル絶縁体で長距離磁気秩序が確認されている。しかし、量子異常ホール効果の発現は、極低温におけるCrを添加した(Sb,Bi)Te系に限られており、強磁性の微視的な起源はほとんど分かっていない。そこで、今回、X線磁気円二色性実験による元素選択的研究を行うことにより、本物質系の強磁性は、母体の正孔キャリアーを媒介としたものであり、Crの3d電子とSbやTeのp電子の相互作用が極めて重要であることを明らかにした。この結果は、異常量子ホール素子の実現に向けても重要である。
荒木 康史; 家田 淳一
山根 結太*; 深見 俊輔*
特願 2022-183158 
公開特許公報
【課題】 電気回路内に実装するに際して、動作電流を小さくしつつも、十分な創発インダクタ機能を発現できる薄膜インダクタ素子を提供することを目的とする。 【解決手段】 磁性体層と、非磁性体層と、が積層された積層膜と、一対の電極を備え、前記磁性体層と前記非磁性体層は、積層方向と直交する方向で任意の形状で延伸され、前記磁性体層は、積層方向成分を含む略一様な磁化構造を有しており、前記非磁性体層は、絶縁体であり、かつその表面が導電可能な構造であり、前記一対の電極は、前記積層膜が延伸される両端近傍であり、少なくとも前記非磁性体層の表面に接する位置に設けられ、1KHZ~1GHZの周波数で変調する電流が印加されるものであることを特徴とする薄膜インダクタ素子。
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 introduce our theoretical proposal of the novel inductors and capacitors using topological insulator (TI) heterostructures, with significantly improved power efficiency. TIs, such as BiSe and BiTe, show the two-dimensional (2D) surface states of Dirac fermions, having a tight correlation between spin and momentum (spin-momentum locking). With such Dirac surface states, TIs are capable of achieving a high interconversion efficiency between spin and charge degrees of freedom, leading to power-efficient electric manipulation of magnetization via the spin-orbit torque (SOT) on the surface with the current shunting in the bulk suppressed. Considering a heterostructure of a TI and a ferromagnetic insulator (FI), we show the emergence of inductance and capacitance in heterostructures of TIs and magnets with significantly reduced power loss, by combining the spin-charge interconversion on the TI surface with the spin dynamics in the FI. Once an alternating current is injected to this heterostructure, it induces the spin dynamics in the FI via the SOT, which inversely yields the spinmotive force on the Dirac fermions and gives rise to the frequency-dependent current-voltage response, i.e., the impedance. We build a unified theoretical framework to extract the inductance and capacitance, on the basis of topological quantum field theory describing the magnetoelectric responses arising from the Dirac fermions. From this theoretical framework, we derive the inductance and capacitance in the TI-FI heterostructure. We compare its power efficiency with the "emergent inductors" reported in previous studies, which use spin dynamics in metallic magnets to generate inductance, and show that TIs can highly reduce the power loss in inductors.
杉本 聡志*; 荒木 康史; 家田 淳一; 葛西 伸哉*
no journal, ,
Current-induced spin-orbit torque (SOT) at heavy metal/ferromagnet (HM/FM) interfaces plays a critical role in modern spintronics. In addition to enhancement of the conversion efficiency, manipulation of the direction of spin polarization has been developed as the major challenge in SOT research until now. This challenge is aimed to improvement of all electric operations of the solid-state non-volatile memories. The unconventional out-of-plane (z) and in-plane (x) components of SOT break the geometrically invariant points in the magnetization switching process in various device configurations, and enable zero-field SOT switching of type-z and type-x configurations, respectively. Here, we propose a brand-new protocol to meet such demands by engineering the Fermi surface symmetry. A topological insulator BiTe shows the hexagonal warping structure due to the discrete rotational symmetry of crystal under spin-momentum locking. Such C3V structure can be further lowered by fabricating an atomic-scale thickness modulation. Thus, a trivial C1 structure can be realized in a simple layered device structure. This asymmetric Fermi surface leads to the distinctive three-dimensional spin polarization without building any complex devices. We demonstrated this type of Fermi surface manipulation protocol for R-3m BiTe (001)/CoFeB sputtered heterostructures via ST-FMR based torque measurements. Our results showed considerable improvements in the unconventional SOT efficiencies characterized by the unique nonreciprocal spectra. Both the out-of-plane and in-plane SOT components reached up to 10 percent in their conversion efficiencies, comparable to the champion values among the various device engineering works so far. Such remarkable improvement of unconventional SOT components enables unique zero-field SOT manipulations subsequently.
河裾 厚男; Li, H.; 前川 雅樹; 阿部 浩之; 宮下 敦巳
no journal, ,
トポロジカル絶縁体の表面では、カイラルスピン構造が形成されており、運動量とスピンの方向が常に垂直に保たれている。そこで、表面平行方向に電流を印加することで、表面電子がスピン偏極することが考えられる。しかし、バンドギャップが非常に狭いことや、電気的に活性な固有欠陥の生成などにより、バルクの絶縁状態が保持されているとは限らず、表面電気伝導をバルクから分離して観測することは容易ではない。本研究では、表面電子スピンを高感度に捉えることができるスピン偏極陽電子ビームを用いて、トポロジカル絶縁体の一つとされているBiSb表面の電流誘起スピン偏極を観測した。その結果、Sb組成比がトポロジカル絶縁相のx=0.06-0.2になるとスピン偏極率は4-5%となり、さらにSb組成比x
0.22では、表面電子のスピン偏極率は検出限界以下であった。これらはトポロジカル絶縁相の発現と消失に対応している可能性がある。
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.
石川 力*; 中山 勝政*; 鈴木 渓
no journal, ,
本講演では、相互作用のない格子フェルミオンにおけるカシミールエネルギーの定義を提案する。我々はこの定義を用いることで、空間方向に周期境界条件や半周期境界条件が課された次元時空におけるナイーブ・フェルミオン,ウィルソン・フェルミオン,(メビウス・ドメインウォール・フェルミオン定式化に基づく)オーバーラップ・フェルミオンに対するカシミール効果の性質を調べた。ナイーブ・フェルミオンにおいては、奇数個・偶数個の格子に対してカシミールエネルギーが交互に振動するという結果が得られた。ウィルソン・フェルミオンにおいては、格子サイズがの領域で、連続理論のディラック粒子におけるカシミールエネルギーとよく一致する結果が得られた。この結果は、格子シミュレーションによってカシミール効果を測定する際に、ウィルソン・フェルミオンによる格子正則化を用いることで離散化誤差をよく制御できることを意味している。さらに、(メビウス・ドメインウォール・フェルミオン定式化に基づく)オーバーラップ・フェルミオンはトポロジカル絶縁体の表面モードに対応しており、様々なモデルパラメータ依存性も調べた。これらの発見は、対応する格子構造を持つ物性系や、格子上の数値シミュレーションによっても検証され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.
