Quantum theory on the magnonic Wiedemann-Franz law

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本研究課題の目的は、スピン波を量子化したマグノンに宿る量子物性を解明し、従来の古典的スピントロニクスを量子スピントロニクスに昇華させることである。本年度は、マグノンの熱磁気物性である「マグノンWiedemann-Franz則」だけでなく、その量子物性である「マグノン・カシミア効果」に着目して研究を行った。そして特に次の2つの研究実績を得た。研究実績1) マグノンWiedemann-Franz則 [K. Nakata et al., PRB (2015)]を非線形応答領域へ拡張することに成功した。特に、線形応答領域で確立されたマグノンWiedemann-Franz則が非線形応答領域において破れることを解明した。この研究成果を、Phys. Rev. B誌から出版した。研究実績2) マグノン量子場の量子真空ゆらぎによる量子効果「マグノン・カシミア効果」を理論的に解明した。有限体積中の量子場の真空ゆらぎによって生じるカシミア効果は、古典力学には対応物が存在しないという意味において量子効果といえる。これまでカシミア効果は主に光子系を舞台に研究されてきたが、量子場の理論の観点から鑑みると、カシミア効果に類似の量子現象は、ゼロ点エネルギーを伴う他の量子場によっても創出されることが期待できる。そこで本研究では、反強磁性体だけでなくフェリ磁性体中のスピン波を量子化したマグノンの量子場に着目し、マグノン量子場の量子真空ゆらぎによる量子効果「マグノン・カシミア効果」を理論的に解明した。特に、酸化クロム(III)とYIGの薄膜に着目し、各々のマグノン・カシミア効果の性質を明らかにした。本研究の成果は、カシミア効果の工学的応用を目指す「カシミアエンジニアリング」の基礎学理の構築に大きく貢献することが期待される。この研究成果を、Phys. Rev. Lett.誌から出版した。