Theory of emergent inductor and capacitor based on topological materials science

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2022年度は主に、本研究計画全体の基礎となる、トポロジカル絶縁体における創発インダクタンス・キャパシタンスの基礎理論の構築を行った。トポロジカル絶縁体特有の電磁応答（トポロジカル電磁応答）と、磁性絶縁体における磁気揺らぎ（スピン波）の協調により現れる、インダクタンス・キャパシタンスを扱った。トポロジカル電磁応答を記述する「トポロジカル場の理論」に基づき、スピン波、及び素子に働く電磁場の自由度を導入した定式化を行った。この理論に対して経路積分方式を適用することにより、トポロジカル絶縁体の接合系が交流電流・電圧に対して示す特性を記述する、複素インピーダンスを導出するための理論的枠組みを構築した。この基礎理論の適用例として、様々な次元におけるトポロジカル絶縁体の示す、インダクタンス・キャパシタンスを導出した。特に、現在実験において広く使われる、3次元トポロジカル絶縁体と磁性絶縁体の接合界面について、インダクタとしての特性を評価した。その結果、この接合系は最高で約1GHzという高周波数帯で、且つ1μA程度の低電流でもインダクタとして動作することを示した。これは、トポロジカル絶縁体は表面にのみ伝導状態を持つため、内部に余分な電流を流すことなく動作するためである。この特性を用いると、素子の電力効率を記述する品質係数（Q値）は、1GHz帯では100-1000という高値を達成できることを示した。この値は現在市販されている高周波インダクタの最高値に匹敵するものである。この接合系は10-20nm程度という薄膜化が可能であるため、高周波信号処理回路の圧倒的な集積化への適用が期待される。本研究成果については日本物理学会（春季大会）で口頭発表を行い、現在論文を投稿中である。また、本研究成果の実施形態について特許出願を行った。