半導体における電場誘起スピン電流とベリー位相

半导体中电场感应自旋电流和贝里相

• 批准号: 16740167
• 负责人: 村上 修一
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16740167/
• 关键词: スピンエレクトロニクス; スピンホール効果; エッジ状態; トポロジカル秩序; スピン流; ビスマス; 表面状態; グラファイト; ベリー位相; スピントロニクス; フォトニック結晶; スピン軌道相互作用; p型半導体; 電気分極; ゲージ場

電場でスピン流を誘起する効果(スピンホール効果)について、本年度は特に量子スピンホール相に着目し研究した。量子スピンホール相とはトポロジカル秩序の一種で、非磁性絶縁体であるが非自明なトポロジカル数を持ち、不純物等に対して安定な表面状態を持つ。こうした相は理論的に提唱されたものの、実験と関連づけられる系はまだないため、その候補となる物質探索を行った。前年度研究代表者が発見したように、絶縁体でのスピンホール効果は帯磁率と関連づけられるため、反磁性帯磁率の大きいビスマスについて、薄膜の場合にトポロジカル数の計算やバンド計算を行い、2次元系では量子スピンホール相になることを提案した。3次元での表面状態等の実験との比較を行い、半金属ビスマス、アンチモンやそれらの合金が量子スピンホール相の候補となることを理論的に提案した。本結果を実験研究者や第一原理研究者へと提案し、実験的検証に向け研究を進めている。上記とも関連して電荷のポンピングの研究も行った。異常ホール効果やスピンホール効果と、電荷のポンピングとは一見全く異なっているが、理論的な枠組み(ベリー位相の物理)は類似しており同様の方法論を使うことができる。特に今年度は不純物の多い1次元系について、ベリー位相によるトポロジーの効果が、(不純物の存在下でも)電荷ポンピングに強く影響することを実証した。また光でも同様の現象が研究代表者らにより前年度に予言された。この光のベリー位相の物理について、今年度は精密な定式化を行い、媒質界面やフォトニック結晶内での光線のシフトを計算した。またX線についても、ベリー位相の効果が顕著になる例を発見した。それは歪んだ結晶中をX線波束が進む場合に、歪みの大きさよりも何桁も大きく波束がシフトするというものであり、これは最近実験的に観測されつつある。

今年，我们将重点放在量子旋孔相位，尤其是在量子旋转相位。量子旋孔相是一种拓扑顺序，是一种非磁性绝缘体，但具有非明显的拓扑数，并且具有针对杂质等的表面状态，等等。尽管在理论上提出了这些相，但没有可以与实验相关的系统，因此我们搜索可以用作候选人的材料。正如上一年的研究人员发现的那样，绝缘体中的自旋孔效应与磁敏感性有关，因此对于具有较高磁化性易感性的偶然易感性，我们提出，在薄膜的情况下进行拓扑数和频带计算，而量子孔孔相位则是量子孔相位的两维系统。我们比较了三维表面状态，并从理论上提出了半金属鞭毛，锑及其合金可能是量子旋转孔相的候选者。这些结果已向实验研究人员和第一个主要研究人员提出，并进行了研究以进行实验验证。与上述结合使用，我们还进行了一项有关电荷泵送的研究。尽管异常的大厅效应和自旋式空间效应似乎与电荷抽水完全不同，但理论框架（浆果相）是相似的，并且可以使用相似的方法。特别是，今年，我们证明，由于浆果相引起的拓扑作用会对具有很多杂质的一维系统产生强烈影响的电荷泵送（即使存在杂质）。前一年，主要研究人员也预测了类似的现象。今年，我们精确地制定了该光的浆果阶段的物理学，并计算了介质界面和光子晶体内的光线的变化。我们还发现，浆果相对于X射线的影响更加明显。这是因为当X射线波数据包通过扭曲的晶体发展时，波数据包的移动数量大于变形的幅度，最近已经通过实验观察到。

项目成果

Intrinsic Spin Hall Effect

• DOI: 10.1007/11423256_16
• 发表时间: 2005-04
• 期刊: arXiv: Mesoscale and Nanoscale Physics
• 作者: S. Murakami

Controlling edge states of zigzag carbon nanotubes by the Aharonov-Bohm flux

通过阿哈罗诺夫-玻姆通量控制锯齿状碳纳米管的边缘态

• 发表时间: 2005
• 期刊: Physical Review B 71
• 作者: B.Lake B;M.Nohara M;H.Takagi et al.;坪井 誠司;K.Sasaki
• 通讯作者: K.Sasaki

Topological nature of polarization and charge pumping in ferroelectrics

• DOI: 10.1103/physrevlett.93.167602
• 发表时间: 2004-10-15
• 期刊: PHYSICAL REVIEW LETTERS
• 影响因子: 8.6
• 作者: Onoda, S;Murakami, S;Nagaosa, N
• 通讯作者: Nagaosa, N

Re-parameterization invariance in fractional flux periodicity

分数通量周期性的重新参数化不变性

• 发表时间: 2004
• 期刊: J.Phys.Soc.Jpn. 73
• 作者: A. Sawa;A. A. Yamamoto;H. Yamada;T. Fujii;M. Kawasaki;J. Matsuno;Y. Tokura;S.Murakami et al.
• 通讯作者: S.Murakami et al.