研究内容

磁性

磁性は大昔から知られていた物理現象ですが、その微視的理解が進んだのは、1900年代前半の量子力学の発見以降です。微視的理解が進むと同時に、磁性は現代の技術になくてはならないものになっています。モーターやハードディスクへの応用は良く知られていますが、さらに最近では、スピントロニクス、マグノニクスなど、新しい応用も研究されています。私たちは、これらの技術の基礎となる、磁性物質および磁性現象の研究を行っています。大規模数値計算を用いて磁性物質の電子状態や磁気相互作用を正確に見積ることで、磁性の起源や温度・磁場などの外部要因に対する状態の変化を明らかにします。これらの計算法をさらに発展させることで、未知の磁性物質を理論主導で発見することも目指しています。

最近の例

様々な結晶構造を持つ磁性体の磁気構造を系統的に理解するため、密度汎関数理論法を使用して、磁性体のスピン間相互作用を導出する（DFTエネルギーマッピング法）。これは、実験的に測定された磁気特性を量子・古典スピンモデルに帰着することで、様々な結晶構造を持つ磁性体の磁気構造を系統的に理解することができます。

• Lu₂Mo₂O₅N₂は、珍しいスピン1/2パイロクロア磁石として知られています。長距離交換相互作用が存在するにもかかわらず、スピン液体の基底状態であることを解明しました。[link]
• LiInCr₄O₈やCuInCr₄Se₈は、大小の正四面体が交替したパイロクロア格子である「ブリージングパイロクロア格子」と呼ばれる結晶構造を持つことが知られている。これらの物質群は、古典的なスピン液体の近傍に存在することが知られており、DFTエネルギーマッピング法により基底状態の探索をすることが可能になる。[link]
• 渦のような複雑な磁気モーメントの配置は、トロイダルモーメントにより特徴づけられます。 フェリトロイダル状態が基底状態であることが知られているBaCoSiO₄のトロイダルモーメントは、磁場によって制御できることから、スピントロニクスへの応用も期待できる。[link]

非従来型超伝導

　強相関電子系化合物では、通常の超伝導とは異なる“非従来型”の超伝導が起こることがあります。非従来型超伝導では、従来のBCS理論の限界を超える高い転移温度や、BCS理論の枠組みから外れた超伝導状態が実現しており、盛んに研究されています。私たちは、非従来型超伝導の基本的な理解と新しいクラスの超伝導の発見を目指して研究しています。そのために、実験グループと密接に協力すると同時に、超伝導物質の現実的な記述を可能とする理論および数値計算法の開発を行っています。

最近の例

　BCS理論に従う従来型の超伝導では、格子振動によりクーパー対が形成されますが、非従来型超伝導では磁気揺らぎが主な起源となっています。また、超伝導はフェルミ面の不安定性により発現するため、個々の化合物の電子構造を考慮に入れることが不可欠です。密度汎関数理論で得られる電子構造を出発点として、スピンゆらぎ理論により超伝導揺らぎを計算することで、超伝導の圧力やドーピング依存性が議論できます。このアプローチは超伝導の発現に重要なフェルミ準位近傍の低エネルギー励起を考慮するものですが、強相関領域の記述には十分ではありません。そのため、強相関領域にも適用できる方法を組み合わせて、総合的に結論を導く必要がある点が超伝導理論の難しいところです。

• 電荷移動塩κ-(ET)₂Cu[N(CN)₂]Brの超伝導秩序変数がs-波とd-波の対称性を併せ持ち、8つのノードを持つことを明らかにしました。[link]
• 鉄系超伝導体FeSでは、圧力を印加することにより超伝導転移温度の極大が2回現れることが知られています。この起源が、フェルミ面のトポロジー変化であることを明らかにしました。[link]
• チタンニクタイド酸化物超伝導体 BaTi₂Sb₂Oでは、アルカリ金属のドープにより超伝導転移温度が上昇することが知られています。この傾向がスピンゆらぎ理論を用いることで説明できることを明らかにしました。[link]

理論と数値計算手法の開発

　上述の理論研究を行うには、化合物の電子構造と多体効果の両方を考慮する必要があります。そのためには、高度な数値計算法が不可欠です。以下に、我々が開発・使用している数値計算法の例を示します。

• 密度汎関数理論（DFT）は電子構造計算の標準的な数値計算法です。我々はさらに、エネルギーマッピング法を使用して、現実の化合物中の局在スピン間の有効的な交換相互作用を見積もっています。また、得られた電子構造をワニア軌道で表現することで、以下に述べる強相関理論を適用します。
• 動的平均場理論（DMFT）は強相関効果によって実現するモット絶縁体状態や重い電子状態を記述できる理論です。特に、DMFT法とDFT法を組み合わせたDFT + DMFT法は、強相関化合物の電子構造計算法として重要になってきています。我々のグループは、DFT+DMFT法のオープンソースソフトウェアDCoreの開発に貢献しています。
• ファインマン・ダイアグラムを使用した摂動展開は、電子間の相関効果を扱う基本的な方法です。考慮に入れるダイアグラムの違いにより、例えば、乱雑位相近似（RPA）やゆらぎ交換近似（FLEX）があります。
• 量子モンテカルロシミュレーションは、強い電子相関効果をバイアスなしに考慮することのできる数値計算法です。特に、上述のダイアグラム展開をモンテカルロ法によって実行する連続時間量子モンテカルロ法（CT-QMC）は、DFT + DMFT法で実際に解を得るための強力なツールになっています。

データ科学の方法

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