Search

学位の種別: 課程博士, 審査委員会委員 : （主査）東京大学教授 大谷 義近, 東京大学教授 中辻 知, 東京大学准教授 林 将光, 大阪大学准教授 新見 康洋, 東京大学教授 寺嶋 和夫

上向きスピンの電子と下向きスピンの電子が互いに逆向きに流れている流れを「純粋スピン流」と呼ぶ。非磁性の物質で純粋スピン流に着目することで、今まで考えられていなかったような物性現象が次々と発見されてきていて、一つがスピンホール効果、またそれから派生して出てきた分野がトポロジカル絶縁体である。ここではトポロジカル絶縁体およびスピンホール効果の基礎的な物性について理論・実験の両面から解説を行う。

2016年にアメリカのレーザー干渉計LIGOが重力波の直接観測に初めて成功した。この重力波の観測によって, 初期宇宙や超新星内部が将来的に「見える」ようになると期待されている。しかしながら, 重力波の量子効果そのものについては, 未だに理論的によく理解されておらず, 実験的にも観測されていない。我々は, 重力波(グラビトン)がヘリシティという性質のために運動量空間でベリー曲率をもつことを示し, 重力波の量子効果をベリー曲率によって取り入れた半古典的な運動方程式を導いた。これによって, 右偏光・左偏光の重力波の軌道が重力場中で分離する「重力波のスピンホール効果」が生じることがわかった。この重力波のスピンホール効果が将来的に観測できれば, 古典的な一般相対論を超えたグラビトンの量子性の検証に繋がると期待される。 また, 我々は初期宇宙や超新星内部などで実現すると考えられているカイラル物質の電磁流体力学を定式化し, その振舞いについて調べた。その結果, カイラル物質の乱流では, 通常の3次元物質の乱流とは異なり, エネルギーが小さなスケールから大きなスケールへと移される逆カスケードが起きることがわかった。これは, 超新星爆発の起源に重要な役割を果たしている可能性がある。 さらに, 我々は強磁場や高速回転などの極限状態での高密度物質の相構造に関する解析を行った。これまでの我々の研究によって, 高密度核物質が強磁場中でパリティ対称性を破るトポロジカルソリトンの1次元格子(「カイラルソリトン格子」と呼ばれる)になることが既にわかっている。これは, マグネターのような強い磁場をもった中性子星内部で実現している可能性がある。我々は, 高密度核物質が磁場の代わりに高速度の回転でもカイラルソリトン格子状態になることを解析的に示した。実際にこのような状態が実現していれば, そこから放出される重力波もパリティ対称性を破っていることが期待される。 In 2016, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in USA has succeeded in the direct detection of gravitational waves for the first time. The gravitational waves will enable us to "see" the early Universe and the core of supernovae in the future. However, the quantum effects of the gravitational waves themselves have neither been well understood theoretically, nor they have been observed experimentally so far. In this work, we showed that the gravitational waves (gravitons) have a Berry curvature in momentum space due to their helicity. We then wrote down the semi-classical equations of motion for gravitons by taking into account the Berry curvature. We found that this quantum correction leads to the splitting of the trajectories of right- and left-handed gravitational waves in a gravitational field, which we call the "spin Hall effect of gravitational waves." Possible future observations of the spin Hall effect of gravitational waves can potentially test the quantum nature of gravitons beyond the classical general relativity. We also formulated and studied the magneto-hydrodynamics for chiral matter that is expected to be realized in the early Universe and at the core of supernovae. As a result, we found that the chiral matter shows the turbulent inverse cascade where the energy is transferred from small to larger scales, in contrast to the turbulent direct cascade of the usual three-dimensional matter. This new feature may be important for the origin of supernova explosions. Furthermore, we analyzed the phase structure of high-density matter under extreme conditions such as a strong magnetic field and/or a fast rotation. According to our previous research, it has already been found that high-density nuclear matter in strong magnetic fields becomes a one-dimensional lattice of topological solitons that breaks the parity symmetry, called the "chiral soliton lattice." This state may be realized inside neutron stars with gigantic magnetic fields like magnetars. Here we analytically showed that high-density nuclear matter becomes the chiral soliton lattice under a fast rotation instead of a strong magnetic field. We expect that, if such a state is indeed realized in nature, the gravitational waves emitted from there should also break parity symmetry.

金属/強磁性体界面におけるスピン流生成とスピン流を介した物性制御に取り組んだ。スピンポンピングを用いたスピン流生成について, 強磁性半導体と金属間のスピン流生成を実証することができたものの, スピン流誘起物性制御の観測には至らなかった。 常磁性金属Ptについては, 高調波ホール電圧測定によるスピン流の精密測定を行った。その結果, Ptにおいて生成されるスピン流量の温度依存性は小さいことが明らかとなった。このような高調波ホール電圧測定を遂行していく中で, 界面スピン蓄積によって駆動されるスピン流の影響を考慮する必要が示された。本研究で得られた知見は, 今後のスピン流の研究に対して役立つものと期待される。 We investigate generation of spin current at a metal/ferromagnet semiconductor interface. By conducting angular-dependent spin pumping measurements, we successfully separate the voltage induced by the inverse spin Hall effect from the galvanomagnetic effect, which indicates the generation of spin current at metal/ferromagnetic semiconductor interface. We also studied the spin Hall effect by means of the harmonic Hall voltage measurements. By precisely measuring the spin current generated by the spin Hall effect, we find that the spin Hall effect in Pt exhibits small dependence on temperature. We also find that the spin current driven by the spin accumulation can be detected by the harmonic Hall voltage measurement. Our findings establish an effective approach to precisely measure the spin Hall effect, which will play an crucial role in the fundamental research on spintronics., 研究種目 : 若手研究(B) 研究期間 : 2014～2015 課題番号 : 26790037 研究分野 : 工学

素粒子のカイラリティを考慮した輸送理論を、超新星コアなどで現れる相対論的なカイラル物質に応用した。その結果、通常の物質では存在しないカイラル輸送現象によって、衝撃波の進行方向が素粒子のカイラリティによって決まるカイラル衝撃波や、エネルギーが小さなスケールから大きなスケールへと転化される乱流のカスケード現象 (逆カスケード) という新しい物理現象が現れることを明らかにした。また、カイラル輸送理論を光子 (電磁波) やグラビトン (重力波) に拡張し、特に、重力場中で右巻きと左巻きの重力波が分離する現象 (重力波のスピンホール効果) を見出した。 We applied the transport theory taking into account the chirality of elementary particles to relativistic chiral matter that appears, e.g., at the core of supernovae. As a result, we found new physical phenomena due to the chiral transport phenomena that are absent in usual matter: one is the chiral shock wave, whose propagation direction is determined by the chirality of elementary particles. The other is the inverse cascading turbulence, where the energy is transferred from small to larger scales. We also extended the chiral transport theory to photons (electromagnetic waves) and gravitons (gravitational waves). In particular, we found the splitting of the trajectories of right- and left-handed gravitational waves in a gravitational field (spin Hall effect of gravitational waves)., 研究種目 : 若手研究(B) 研究期間 : 2016～2018 課題番号 : 16K17703 研究分野 : 原子核理論

半導体量子ドットに3本以上のリードを接続した多端子系の示す物理現象を理論的に研究した。(1) スピン軌道相互作用がはたらく量子ドット多端子系では、スピンホール効果によってスピン分極電流が得られること、その分極率はゲート電圧によって電気的に制御可能であることを示した。(2) 微小なリングに埋め込まれた量子ドットの近藤効果を解析し、近藤効果のリングサイズ依存性、輸送特性における非弾性過程、多端子系で検出される電子の位相情報を明らかにした。(3) InAs量子ドットのg因子の異方性、およびInSbナノワイヤで観測される異常ジョセフソン効果をスピン軌道相互作用を取り入れることで解明した。 Physical phenomena have been theoretically investigated in multi-terminal quantum dots fabricated on semiconductors. (1) We have found the generation of spin-polarized current due to the spin Hall effect, using a multi-terminal quantum dot with spin-orbit interaction. The spin-polarization ratio is electrically tunable via gate voltages. (2) The Kondo effect has been studied in a quantum dot embedded in a small ring. We have elucidated the ring-size dependence of the Kondo effect, inelastic processes in transport properties, and information on the electron phase detected in the multi-terminal geometry. (3) The anisotropic g-factors in InAs quantum dot and anomalous Josephson effect observed in InSb nanowires have been explained, taking into account the spin-orbit interaction., 研究種目 : 基盤研究(C) 研究期間 : 2010～2013 課題番号 : 22540333 研究分野 : 物性理論 科研費の分科・細目 : 物理学・物性Ｉ