動的創発物性研究チーム

主宰者

主宰者名
賀川 史敬 Fumitaka Kagawa
学位
博士(工学)
役職
チームディレクター
略歴
2006 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 博士課程修了
2006 日本学術振興会特別研究員(PD)
2007 科学技術振興機構 ERATO十倉マルチフェロイックスプロジェクト 研究員
2010 東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター 特任講師
2012 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 講師
2013 理化学研究所 創発物性科学研究センター 統合物性科学研究プログラム 動的創発物性研究ユニット ユニットリーダー
2017 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 准教授
2022 東京工業大学理学院物理学系 教授
2022 理化学研究所 創発物性科学研究センター 動的創発物性研究チーム チームリーダー (現職)
2025/4/1よりチームディレクターに職名変更
2024 東京科学大学理学院物理学系(大学統合による名称変更)教授(現職)

研究室概要

当チームでは、バルク試料及びデバイス化された強相関電子系が示す創発物性の動的側面や非線形応答を解明し、その学理構築を推進する。特に、トポロジカルな磁気秩序やドメイン壁などのサブミクロンスケールの構造体が外場下において示す動的現象について、ミリヘルツからギガヘルツ領域にわたる誘電応答や電気抵抗揺らぎなどのスペクトロスコピーを適用すると共に、走査型プローブ顕微鏡を用いた実空間観測及び局所物性計測も相補的に行なう。これらの知見を基に、物質中のトポロジカルな構造体が示す新奇物性の開拓・制御を目指す。

研究分野

物理学、材料科学

キーワード

強相関電子系
相制御
走査型プローブ顕微鏡
スペクトロスコピー

研究紹介

直流電流によって駆動されたスキルミオン格子が示す狭帯域電圧信号

トポロジカルに保護され粒子のように振る舞う磁気スキルミオンの集合体は、電流下で流れ挙動を示すという点において流体と見なせる一方で、スキルミオンの定常流が必ずしも閉ループのスキルミオン回路を必要としないという点において、その特性は通常の流体とは一線を画するものとなっている。しかし、この特異的な性質がどのようにスキルミオン定常流ダイナミクスに関与しているかは明らかになっていなかった。我々は、系の端の影響下ではスキルミオン定常流が劇的に遅くなることを明らかにした。マイクロメートルサイズのMnSiでは、電流下において10-104 Hzの電圧の狭帯域雑音が観測され、ここから見積もられた定常流の速度は10–6–10–4 m/sと異常に遅いことが分かった。この周波数または速度の温度依存性は熱活性の振る舞いを示し、これはスキルミオンの定常流が、系の端でのスキルミオンの生成と消滅に深く関連していることを示唆している。数値シミュレーションによる検証においても同様の振る舞いが見出され、一連の結果は、特に微細構造中のスキルミオン定常流においては、系の端が重要な役割を果たすことを示唆している。

直流電流を印加したスキルミオン格子が示す、電圧揺らぎの電流密度依存性(左)、各々の特徴的なスキルミオン格子ダイナミック相における電圧揺らぎスペクトル(中央)、想定される各ダイナミック相の模式図(右)

競合秩序相の背後に隠れた超伝導相を発現させる動力学的アプローチ

強相関電子系において超伝導状態の発現はしばしば、熱力学的により安定な磁気/電荷秩序相の形成によって妨げられている。そのため、超伝導を発現させるには物理圧力や化学圧力、キャリア濃度などの熱力学パラメータを制御して、超伝導相と競合秩序相の自由エネルギーバランスを変化させ、超伝導相の自由エネルギーが熱力学的に最安定となるように調整する必要があった。このような従来の熱力学的アプローチに対し、当チームでは競合秩序相の形成を避け超伝導を発現させる新しい手法として“動力学的アプローチ”を見出した。遷移金属ダイカルコゲナイドIrTe2という物質を原理実証の舞台として選び、電流パルスを用いた急冷法(最大で~107 K/sの急冷が可能)により、競合する電荷秩序相への1次相転移を動的に避け、その背後にある超伝導相を準安定状態として発現させることに成功した。当チームで編み出した手法によって、準安定超伝導相の不揮発かつ可逆なスイッチングがパルス印加で可能となり、これは動力学的アプローチを用いた手法に特有な強みと言える。以上のことから、今回の発見は超伝導の発現と制御という文脈において新しい展開をもたらすものと期待される。

超急冷法を用いた超伝導の発現の概念図(左)、実験に用いた薄片試料(右上)と電流パルス印加を用いた超伝導-非超伝導の不揮発相制御の電気抵抗測定による実証(右下)

メンバー一覧

賀川 史敬 Fumitaka Kagawa

チームディレクター fumitaka.kagawa[at]riken.jp

野本 哲也 Tetsuya Nomoto

特別研究員

Samiran Banu

特別研究員

佐藤 拓朗 Takuro Sato

客員研究員

松浦 慧介 Keisuke Matsuura

客員研究員

主要論文

  1. M. Wang, J. Zhang, D. Tian, P. Yu, and F. Kagawa

    Unveiling an in-plane Hall effect in rutile RuO2 films

    Commun. Phys. 8, 28 (2025)
  2. S. Furuta, W. Koshibae, K. Matsuura, N. Abe, F. Wang, S. Zhou, T.-h. Arima, and F. Kagawa

    Reconsidering nonlinear emergent inductance: Time-varying Joule heating and its impact on AC electrical response

    Phys. Rev. B 110, 174402 (2024)
  3. M. Wang, K. Tanaka, S. Sakai, Z. Wang, K. Deng, Y. Lyu, C. Li, D. Tian, S. Shen, N. Ogawa, N. Kanazawa, P. Yu, R. Arita, and F. Kagawa

    Emergent zero-field anomalous Hall effect in a reconstructed rutile antiferromagnetic metal

    Nat. Commun. 14, 8240 (2023)
  4. S. Furuta, S. H. Moody, K. Kado, W. Koshibae, and F. Kagawa

    Energetic perspective on emergent inductance exhibited by magnetic textures in the pinned regime

    npj Spintronics 1, 1 (2023)
  5. K. Matsuura, Y. Nishizawa, Y. Kinoshita, T. Kurumaji, A. Miyaka, H. Oike, M. Tokunaga, Y. Tokura, and F. Kagawa

    Low-temperature hysteresis broadening emerging from domain-wall creep dynamics in a two-phase competing system

    Commun. Phys. 4, 71 (2023)
  6. T. Sato, W. Koshibae, A. Kikkawa, Y. Taguchi, N. Nagaosa, Y. Tokura, and F. Kagawa

    Nonthermal current-induced transition from skyrmion lattice to nontopological magnetic phase in spatially confined MnSi

    Phys. Rev. B 106, 144425 (2022)
  7. H. Oike, K. Takeda, M. Kamitani, Y. Tokura, and F. Kagawa

    Real-Space Observation of Emergent Complexity of Phase Evolution in Micrometer-Sized IrTe2 Crystals

    Phys. Rev. Lett. 127, 145701 (2021)
  8. T. Sato, A. Kikkawa, Y. Taguchi, Y. Tokura, and F. Kagawa

    Mode locking phenomena of the current-induced skyrmion-lattice motion in microfabricated MnSi

    Phys. Rev. B 102, 180411 (2020)
  9. T. Sato, W. Koshibae, A. Kikkawa, T. Yokouchi, H. Oike, Y. Taguchi, N. Nagaosa, Y. Tokura, and F. Kagawa

    Slow steady flow of a skyrmion lattice in a confined geometry probed by narrow-band resistance noise

    Phys. Rev. B 100, 094410 (2019)
  10. H. Oike, M. Kamitani, Y. Tokura, and F. Kagawa

    Kinetic approach to superconductivity hidden behind a competing order

    Sci. Adv. 4, aau3489 (2018)

研究紹介記事