カイラリティの誘起する新奇なスピン輸送現象の解明

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本研究課題では、カイラルな結晶構造をもつ非磁性金属でのスピン輸送現象に注目し、界面でのスピン電荷変換および電流誘起磁化に伴うスピン偏極の長距離性の理論的解明を目標としている。このように固体物理の立場からカイラリティとスピン伝導の関係を探索することは、広く有機分子から超伝導体に至るまで報告されているカイラル誘起スピン選択性への理解を深める上で意義深い。本年度は、カイラル金属でのスピン緩和・スピン拡散および界面でのスピン電荷変換を、緩和時間近似を超えたボルツマン輸送方程式の立場から定式化し、次の3つの成果を得た。(a)スピン依存化学ポテンシャルの描像に頼らない、スピン緩和時間およびスピン拡散長の自然な定義を与えた。これらの定義はスピンが擬保存量とみなせないような強いスピン軌道結合下においても妥当となる点で重要である。特に、スピン拡散長に関しては従来よりも一般化されたスピン成分・拡散方向ごとのスピン拡散長を定義した点で新しい。(b)有限の厚みをもつ非磁性金属とカイラル金属との接合系においてエーデルシュタイン効果を扱い、電流スピン流間の変換効率およびその他の輸送係数の解析的な表式を網羅的に与えた。(c)界面を介して生じた正・逆エーデルシュタイン効果間に成り立つオンサーガーの相反定理を明らかにした上、転送行列の手法によって両効果を交差応答の形式に整理した。成果(b)および(c)は、これまで現象論的に扱われてきた界面でのスピン電荷変換の機構を明白にした点で意義をもつ。また、これら3つの成果を補完するものとして、スピン分裂した2バンド模型にボルツマン方程式が適用できる条件を、微視的な非平衡グリーン関数の手法から裏付ける研究も行った。これらの研究結果に関して3件の口頭発表と3件のポスター発表を行い、成果をまとめた論文はPhysical Review B誌で出版されている。