ディラック方程式に基づく強磁性体の理論的研究

ディラック方程式に基づく強磁性体(ディラック強磁性体)におけるスピントロニクス現象の系統的解明を本研究の目的としてきた．その成果の一部はPhys. Rev. B 誌に掲載された．本研究において申請者が開発した一般的な計算手法を用いて，本年度はスピン軌道相互作用に起因する電流誘起スピントルク(SOT)を理論的に研究した．SOTがこれまで知られていた電流誘起トルクと異なる点は，磁化が一様な場合にも生じる点にあり，それを利用した応用が期待されているため，近年盛んに研究されている現象である．また，同様のトルクは熱流にも伴って発生することが期待されるが，それらの性質は未だ十分に理解されていない．そこで申請者は電流および熱流によって誘起されるSOTを微視的模型に基づいて理論的に解析した．申請者は以下の事実等を明らかにすることで，該当分野に大きく貢献したと言える．まず，磁性体膜の界面を念頭におき，一般のバンド構造とスピン軌道相互作用をもつ２次元電子系を考え，それが磁化に及ぼすトルクの計算を線形応答理論に基づいて一般的に定式化した．次に，自由電子モデル，および正方格子上の強束縛モデルの２種類に対して，ラシュバ型スピン軌道相互作用を仮定して具体的な計算を行った．その際，不純物の効果として，電子の減衰定数（自己エネルギー）だけでなく，これまで考慮されてこなかったバーテックス補正までも考慮して，電子の一体状態と外場との結合をコンシステントに扱った．結果は，スピン軌道相互作用が交換分裂よりも小さいとき，自由電子モデルでは，フェルミ面が二枚ある場合にバーテクス補正の効果で非散逸的なSOTは消え，また散逸的なSOTはその係数の磁化方向依存性が消失することを見出した．他方，強束縛モデルではバーテクス補正を含めても散逸的・非散逸的なSOTが共に存在し，それらは磁化方向に強く依存することが分かった．

ディラック方程式に基づく強磁性体(ディラック強磁性体)におけるスピントロニクス現象の系統的解明を本研究の目的としてきた．その成果の一部はPhys. Rev. B 誌に掲載された．本研究において申請者が開発した一般的な計算手法を用いて，本年度はスピン軌道相互作用に起因する電流誘起スピントルク(SOT)を理論的に研究した．SOTがこれまで知られていた電流誘起トルクと異なる点は，磁化が一様な場合にも生じる点にあり，それを利用した応用が期待されているため，近年盛んに研究されている現象である．また，同様のトルクは熱流にも伴って発生することが期待されるが，それらの性質は未だ十分に理解されていない．そこで申請者は電流および熱流によって誘起されるSOTを微視的模型に基づいて理論的に解析した．申請者は以下の事実等を明らかにすることで，該当分野に大きく貢献したと言える．まず，磁性体膜の界面を念頭におき，一般のバンド構造とスピン軌道相互作用をもつ２次元電子系を考え，それが磁化に及ぼすトルクの計算を線形応答理論に基づいて一般的に定式化した．次に，自由電子モデル，および正方格子上の強束縛モデルの２種類に対して，ラシュバ型スピン軌道相互作用を仮定して具体的な計算を行った．その際，不純物の効果として，電子の減衰定数（自己エネルギー）だけでなく，これまで考慮されてこなかったバーテックス補正までも考慮して，電子の一体状態と外場との結合をコンシステントに扱った．結果は，スピン軌道相互作用が交換分裂よりも小さいとき，自由電子モデルでは，フェルミ面が二枚ある場合にバーテクス補正の効果で非散逸的なSOTは消え，また散逸的なSOTはその係数の磁化方向依存性が消失することを見出した．他方，強束縛モデルではバーテクス補正を含めても散逸的・非散逸的なSOTが共に存在し，それらは磁化方向に強く依存することが分かった．