磁性体におけるBerry位相とマグノンの軌道運動による新奇現象の探索

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本研究の目的は、磁性体におけるマグノンの輸送現象において、マグノン系でのBerry位相に関連した新奇物性を探索することである。平成25年度には一般のスピン波、すなわち強磁性体中のマグノンだけでなく反強磁性マグノンや静磁波といった、BdGハミルトニアンで記述されるスピン波に対するマグノンの熱ホール効果の解析を行った。その結果、熱流演算子や熱輸送係数の表式を明らかにし、熱ホール伝導率がBerry位相を用いて表されることを解析的に導き出し、そしてBerry位相に関する数学的性質、例えば総和則などを発見した。また、我々は得られた結果を実験でよく知られた物質であるイットリウム鉄ガーネット中のスピン波へ適用し、熱ホール伝導率が磁場に対しては単調減少関数的に依存し、温度にはほとんど依存しないことを明らかにした。さらに量子ホール効果のアナロジーで、マグノンのBerry位相とエッジモードの関係性を見出し、具体的な系を設計しシミュレーションによってエッジに局在するマグノンのモードの存在を確認した。また準古典論の立場から、マグノンの波束が持ち得る電気分極の大きさを見積もることに成功し、磁性体における新たな物性を見出した。一方実験グループとの共同研究では、マグノンの波束の運動を実験で確認するための方法を提案し、マグノンの伝播実験においてアンテナから出発したマグノン波束が波数変調を受けることで異常速度を感じ、シグナルの磁場に関する非対称性が現れていることから静磁波のホール効果を間接的に確認することに成功した。