最近の研究から
Calculation of the Biquadratic Spin Interactions Based on the Spin Cluster Expansion for Ab initio Tight-binding Models
Journal of the Physical Society of Japan 94, 124709 (2025) [Editors' Choice]
磁性体の性質を理解・予測するためには、電子スピン間にはたらく相互作用を実物質に即して評価することが重要です。従来の有効スピン模型では、ハイゼンベルク型の相互作用がよく用いられてきましたが、近年注目される複雑な磁気構造や量子物性を記述するには、より高次のスピン間相互作用が本質的な役割を果たす場合があります。本研究では、スピンクラスター展開と無秩序局所モーメント法を組み合わせた枠組みを第一原理計算と組み合わせ、高次スピン相互作用を評価する計算手法を開発しました。これにより、複雑な磁気秩序を支配する高次スピン相互作用の電子論的起源を明らかにし、実物質に基づいた解析を行う計算基盤を提示しました。
We develop a calculation scheme using ab initio tight-binding Hamiltonians to evaluate biquadratic magnetic interactions. This approach relies on the spin cluster expansion combined with the disordered local moment (DLM) method, originally developed within the multiple scattering Korringa–Kohn–Rostoker method. Applying it to a single-orbital Hubbard model with two sublattices, we show that the evaluated DLM biquadratic interactions are in good agreement with those obtained from the strongly correlated limit, demonstrating the wide applicability of the method to various magnetic systems with large local moments. We then apply it to the ab initio tight-binding models for elemental magnetic metals; the resulting magnetic interactions align well with previous literature. Finally, we explore its performance in more complex compounds, such as transition metal dichalcogenides with intercalation of 3d transition metals and potassium electrosodalite. The obtained results for both compounds show good agreement with experiments. The present approach offers a convenient ab initio path for evaluating biquadratic interactions and understanding the electronic mechanisms controlling them.
Symmetry analysis with spin crystallographic groups:
Disentangling effects free of spin-orbit coupling in emergent electromagnetism
Physical Review B 109, 094438 (2024) [Editors' Suggestion]
対称性は物質を特徴付ける最も基本的な量の一つですが、最近、物質の磁気構造を特徴付ける対称性として、従来の磁気空間群とは異なるスピン空間群という対称性が注目を集めています。スピン空間群は、物理的にはスピン軌道相互作用の影響を無視できるような系の対称性であり、スピン軌道相互作用フリーな応答現象を特徴付けます。最近、我々は、与えられた磁気構造と結晶構造に対してスピン空間群を同定するコードを開発しました。本研究では、開発したコードを用いてデータベース上の広域な物質群に対する解析を行い、スピン空間群で記述される新奇現象の予測や物質提案を行なっています。
Recent studies identified spin-order-driven phenomena such as spin-charge interconversion without relying on the relativistic spin-orbit interaction. Those physical properties can be prominent in systems containing light magnetic atoms due to sizable exchange splitting and may pave the way for realization of giant responses correlated with the spin degree of freedom. In this paper, we present a systematic symmetry analysis based on the spin crystallographic groups and identify the physical property of a vast number of magnetic materials up to 1500 in total. By decoupling the spin and orbital degrees of freedom, our analysis enables us to take a closer look into the relation between the dimensionality of spin structures and the resultant physical properties and to identify the spin and orbital contributions separately. In stark contrast to the established analysis with magnetic space groups, the spin crystallographic group manifests richer symmetry including spin-translation symmetry and leads to emergent responses. For representative examples, we discuss the geometrical nature of the anomalous Hall effect and magnetoelectric effect and classify the spin Hall effect arising from the nonrelativistic spin-charge coupling. Using the power of computational analysis, we apply our symmetry analysis to a wide range of magnets, encompassing complex magnets such as those with noncoplanar spin structures as well as collinear and coplanar magnets. We identify emergent multipoles relevant to physical responses and argue that our method provides a systematic tool for exploring sizable electromagnetic responses driven by spin order.
High-throughput calculations of antiferromagnets hosting anomalous transport phenomena
Physical Review B 109, 094435 (2024)
ハードディスクなどの磁気デバイスに使われるのは、通常強磁性体ですが、最近、反強磁性体を用いた磁気デバイスの研究、すなわちスピントロニクスが注目を集めています。実際、反強磁性体を使うことでさまざまなメリットがあるのですが、磁気デバイスに使用可能な反強磁性体はただの反強磁性体とは少し異なり、その数も限られています。本研究は、第一原理計算とクラスター多極子法と呼ばれる磁気構造の生成手法を用いてハイスループット計算を行い、スピントロニクスに利用可能な少し"変わった"反強磁性体の網羅的な探索を行なったものです。
We develop a high-throughput computational scheme based on cluster multipole theory to identify new functional antiferromagnets (AFMs). This approach is applied to 228 magnetic compounds listed in the AtomWork-Adv database, known for their elevated Néel temperatures. We conduct systematic investigations of both stable and metastable magnetic configurations of these materials. Our findings reveal that 34 of these compounds exhibit AFM structures with zero propagation vectors and magnetic symmetries identical to conventional ferromagnets, rendering them potentially invaluable for spintronics applications. By cross-referencing our predictions with the existing MAGNDATA database and published literature, we verify the reliability of our findings for 26 out of 28 compounds with partially or fully elucidated magnetic structures in the experiments. These results not only affirm the reliability of our scheme but also point to its potential for broader applicability in the ongoing quest for the discovery of functional magnets.
プロジェクト
山本量子キラル変換プロジェクト, 戦略的創造研究推進事業 ERATO
山本浩史, (野本拓也, 加藤将貴が参加) (2025年10月 - 2031年3月)
反強磁性体の秩序制御工学の展開, 科学研究費助成事業 挑戦的研究(開拓)
鈴木通人, 野本拓也, 小手川恒 (2025年6月 - 2028年3月)
ポストスピントロニクス創成に向けた準安定強相関物質の網羅的開拓, 科学研究費助成事業 基盤研究(S)
石渡晋太郎, 世古敦人, 野本拓也 (2025年4月 - 2030年3月)
磁気構造探索と統合的物性スクリーニングによる機能反強磁性体設計, 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
野本拓也, 鈴木通人, 渡邉光 (2024年4月 - 2028年3月)
反強磁性金属における自励発振の研究, 科学研究費助成事業 基盤研究(A)
三輪真嗣, 坂本祥哉, 野本拓也 (2022年4月 - 2025年3月)
第一原理計算に基づくトポロジカル磁性材料探索, 戦略的創造研究推進事業 さきがけ(トポロジカル材料科学と革新的機能創出)
野本拓也 (2020年11月 - 2024年3月)
反強磁性ドメインの形成と制御の理論研究, 科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)
鈴木 通人, 野本拓也 (2020年7月 - 2022年3月)
従来型・非従来型超伝導体に対する超伝導密度汎関数理論の開発と応用, 科学研究費助成事業 若手研究
野本拓也 (2019年4月 - 2021年3月)
強相関・多自由度系超伝導体の微視的電子状態に基づいた理論研究, 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費
野本拓也 (2015年4月 - 2017年3月)