研究成果

電子のスピンを駆動力とするナノモーターの提案

スピンと力学的な回転運動の変換現象である磁気回転効果を利用して、ナノスケールの物体の効率的な回転駆動機構について理論的に考察した。二層カーボンナノチューブと強磁性金属を電極とする構造を考え、電極間に電圧を印加すると、一方の電極から偏極した電子スピンがナノ回転子(ナノチューブ)に注入される。注入された電子は回転子内における磁気回転相互作用により、そのスピンの向きを反転させるとともに回転子に角運動量を受け渡し、スピンの向きが反転した電子はその偏極と同じ方向に偏極したもう一方の電極へと抜ける。この過程を繰り返す事で、回転子は角運動量を注入電子スピンより獲得し、効率的に回転運動が誘起されることを理論計算により示した。W. Izumida, R. Okuyama, K. Sato, T. Kato, and M. Matsuo, Phys. Rev. Lett. 128, 017701 (2022). [Preprint: arXiv:2106.04861].

半導体量子ドット中での多電子状態の読み出しとスピン緩和現象の解析

半導体量子ドット中の多電子スピン状態の読み出し実験に対して、スピン緩和時間の理論的な解析を行った。電子格子作用と半導体中のドレッセルハウススピン軌道相互作用を考慮して、フォノンによるスピン緩和時間を評価した。計算には厳密対角化法と摂動論を用いた。その結果、量子ドット中に含まれる電子数が多いほど電子相関効果によってスピン緩和時間が急激に短くなることを明らかにした。さらに量子ドット中の全スピンの大きさに関する依存性も議論した。計算結果は実験を定性的によく説明することがわかった。H. Kiyama, K. Yoshimi, T. Kato, T. Nakajima, A. Oiwa, and S. Tarucha, Phys. Rev. Lett. 127, 086802 (2021). [Preprint: arXiv:2108.13663]

非摂動領域におけるGaAsの高次高調波発生

GaAsの高調波発生の電界強度依存性に関する実験結果の理論的解析を担当した。入射光強度が強く摂動論から予言されるスケーリング則が成立しない領域において、高次高調波の発生強度が入射光強度に対して非単調に振る舞うという実験結果に対して、ラッティンジャー-コーン模型に基づく理論計算を行い、観測した非単調な挙動を再現することに成功した。この振る舞いは非摂動領域に特有の現象であり、フロッケサブバンドに基づく描像によって動的局在化現象として捉えることができることを明らかにした。P. Xia, T. Tamaya, C. Kim, F. Lu, T. Kanai, N. Ishii, J. Itatani, H. Akiyama, T. Kato, Phys. Rev. B 104, 121202 (2021). [Preprint: arXiv:2004.04492]

乱れのある1次元ジョセフソン接合列におけるマイクロ波散乱

複雑な量子多体問題は一般にそのまま解くことは困難である。そこで、元の複雑な模型の代わりに制御性の高い人工量子系に置き換えて考える量子シミュレーションという試みが近年注目を集めている。その中でも、超伝導回路はその高い制御性から最適な舞台の1つとして注目されている。超伝導回路にあるランダムな電荷は通常では、いわゆる綺麗な実験にはジャマ者と見なされ嫌厭されるが、本研究では、これを逆手にとり、不規則系の物理のシミュレーションとして考えた。特に本研究では、1次元ジョセフソン接合列を考え、マイクロ波散乱を通して調べることで、ジョセフソン接合列に潜む興味深い物質相である「ボーズグラス」のダイナミクスを明らかにすることができた。T. Yamamoto, L. I. Glazman, and M. Houzet, Phys. Rev. B 103, 224211 (2021). [Preprint: arXiv:2012.00305].

スピンホール磁気抵抗効果の微視的理論

金属と磁気絶縁体の接合によって新たに生じる磁気抵抗(スピンホール磁気抵抗)は、磁性体の磁化の向きの情報を検知する有力な手法として長年注目されてきた。本研究では、スピン磁気抵抗の微視的理論を構築し、その温度依存性が磁性体中のマグノンの生成・消滅に起因する動的スピンゆらぎと関係づけられることを始めて明らかにし、実際に金属・反強磁性体接合系で観測されているスピン磁気抵抗の温度依存性をよく説明することを示した。さらに熱スピン流ノイズとスピンコンダクタンスの間に成り立つオンサーガー関係式も導いた。
T. Kato, Y. Ohnuma, and M. Matsuo, Microscopic theory of spin Hall magnetoresistance, Phys. Rev. B 102, 094437 (2020). [Preprint: arXiv:2005.14494].

断熱パラメータ駆動下でのポンピング性能の幾何学的最適化

メソスコピック素子における断熱ポンピング現象は時間に依存する量子輸送現象のなかで基本的な現象である。ポンピング性能(単位時間当たりのポンピング量)を最大にするためには、非断熱効果が無視できる駆動速度の上限(=制限速度)より十分に小さい駆動速度でポンピングを駆動させる必要がある。一般に駆動パラメータのパラメータ空間中の軌跡が長くなると、1サイクルあたりの電荷ポンプ量は増加するが、制限速度の制約下で駆動周期が長くなりポンピング性能が減少する。このトレードオフを注意深く考察し、断熱排気のパワーを最大にする最適化周期と輪郭が存在することを示した。またこの結果を、単一準位量子ドットでの電荷ポンピングに適用した。
M. Hasegawa and T. Kato, Geometrical Optimization of Pumping Power under Adiabatic Parameter Driving, J. Phys. Soc. Jpn. 89, 064706 (2020). [Preprint: arXiv:1901.01669].

量子ドット系におけるほとんどトポロジカルな断熱ポンピング

量子ドットと電子浴間の結合強度が十分に大きな振幅で駆動されるときに生じる断熱電荷ポンピングに着目し、理論研究を行った。一回の操作でポンプされる電子数が0から1の間の値に収束して量子化することを理論的に示し、量子化する値が電子浴のバンド構造によって決定されている事を初めて指摘した。この結果は、量子ドットと電子浴が強く結合する量子的な輸送を理解する上で電子浴の詳細が重要となる事を示すものであり、メゾスコピック量子系に関する熱力学を考える上で重要な示唆を与えるものであると期待される。
M. Hasegawa, É. Jussiau, and R. S. Whitney, Adiabatic almost-topological pumping of fractional charges in noninteracting quantum dots, Phys. Rev. B 100, 125420 (2019). [Preprint: arXiv:1904.06488].

サブバンド描像に基づく新しい高次高調波発生の量子理論

固体中における高次高調波発生のメカニズムを理解するために、強い光による電子の駆動現象を理論的に考察し、現在広く用いられている半古典模型(3ステップ模型)では記述できない新しい量子特性を予言する理論を構築した。固体中での強い光によって生じるサブバンド描像を用いることで、サブバンド間に新しい量子振動現象が現れることを初めて示した。この新しい理論は、高次高調波発生におけるプラトー構造を自然に説明できるだけでなく、動的局在や動的フランツ-ケルディッシュ効果などの従来の非摂動論的領域における非線形現象の諸概念との関係を明らかにすることができる。
T. Tamaya and T. Kato, Sub-band picture of high-harmonic generation in solids, Phys. Rev. B 100, 081203(R) (2019). [Preprint: arXiv:1906.00596

超伝導回路における量子臨界現象の観測方法の提案

超伝導量子ビットと伝送線路を組み合わせた超伝導回路において、量子臨界現象が生じる回路の作成方法を理論的に提案した。提案した超伝導回路にマイクロ波を照射させると、マイクロ波散乱の反射率に量子臨界現象を反映した特徴的な周波数依存性が現れることを明らかにした。この研究成果により、強く相互作用する量子ビット-光子複合系を舞台とした量子臨界現象を初めて観測する具体的な指針が与えられたこととなる。なお、本研究成果は特に注目される研究成果として、Journal of Physical Society of Japan誌のEditor's Choiceに選出された。
Tsuyoshi Yamamoto, Takeo Kato, Microwave Scattering in the Subohmic Spin-Boson Systems of Superconducting Circuits, J. Phys. Soc. Jpn. 88, 094601 (2019) [Editor's Choice]. (Preprint: arXiv:1904.03051)

ワイル半金属を用いたプラズモニクス

プラズモニクスの分野では、近年、グラフェンやトポロジカル絶縁体といった新しい物質を用いたプラズモニクスが注目を集めている。特に注目を集めているのがワイル半金属を用いたプラズモニクスである。ワイル半金属は線形なエネルギー分散を持つトポロジカル物質の一種であり、物質中の電磁場は通常のマクスウェル電磁気学ではなくアクシオン電磁気学に従うことが知られている。アクシオン電磁気学では静電場と静磁場が直接結合するため、ワイル半金属は特異な電磁応答を示すことが期待されている。3層構造型のワイル半金属を考え、表面に局在したプラズモンがワイル半金属の厚みやアクシオンベクトルの向きに依存してどのように変化するかを理論的に明らかにした。
Tomohiro Tamaya, Takeo Kato, Kota Tsuchikawa, Satoru Konabe, and Shiro Kawabata, Surface plasmon polaritons in thin-film Weyl semimetals, J. Phys. Condens. Matter 31, 205001 (2019) [preprint: arXiv:1811.08608].