研究トピック

　磁性体にはマクロな磁化を持ち磁石の性質を示す強磁性体のほかにも、物質内部のミクロな磁化分布によって、フェリ磁性、キラル磁性、交替磁性など様々なものが存在し、強磁性体とは異なるさまざまな物性現象を引き起こします。どのような条件下でこのような現象が起こるのか？どうすればより強力な現象を引き出せるのか？私たちは理論とシミュレーションを活用してさまざまな角度から磁性体の性質を調べ、材料としての機能性との関係や新しい現象の可能性も研究しています。

　電子運動の相対論補正として量子力学に導入されるスピン-軌道相互作用は、異なる対称性のルールに従う実空間とスピン空間を連結させることで物質中の電子状態に対称性の低下をもたらし、さまざまな物性現象の起源となります。しかし、量子力学の世界の住人であるスピンが実空間との結合を通してもたらす物性に対して明確な物理描像を得ることは難しく、特に磁性や超伝導をはじめとする秩序形成との関わりは、未だ数多くの謎が眠る研究のフィールドです。当研究グループでは数理科学と第一原理計算などを駆使して、スピン-軌道結合が引き起こす物性現象を研究しています。

　物質の性質はその構成単位である電子や原子核が物質中で取る状態によって決まり、電気伝導・比熱・磁化測定をはじめとするマクロ測定や、光電子分光、核磁気共鳴（NMR）、量子振動などの実験観測の起源を理解する上で、物質の電子状態の理解が欠かせません。電子状態の特性は、バンド構造、状態密度、フェルミ面、ベリー位相などの解析によって多角的に調べられ、第一原理計算から得られる一電子状態の情報を使って、実験で観測される多くの物理量を計算することもできます。当研究グループではさまざまな実験グループとの共同研究を通して、実験で得られた未知の物性現象の理解に向けた研究に取り組んでいます。

　多くの反強磁性体では、結晶構造を土台として、高い対称性を持つ磁気構造の秩序が実現しています。私たちの研究では、多極子理論と群論の表現論という理論を活用することで、与えられた結晶構造に対して高対称な磁気構造を自動的に生成できることを示していますが、最近の研究ではこれらの理論を第一原理計算と組み合わせて、実験の情報を使わずに安定な磁気構造を予測できることを示し、磁気構造のシミュレーションを通した物性予測の研究を進めています。人工知能のベースとなる統計解析手法である機械学習を用いた物性研究にも取り組み、磁気構造を機械学習の特徴量に変換する理論手法なども提案しています。

　希土類・アクチノイド元素や一部の遷移金属元素を含む化合物は強相関電子系と呼ばれ、特にf電子系によって特徴づけられる希土類・アクチノイド化合物に対して、第一原理計算による電子状態の予測精度が著しく低下します。また、強相関電子系物質のなかには、d電子やf電子の大きな軌道自由度を利用した秩序（多極子秩序）を形成するものが存在し、複雑な秩序形成下の電子状態を第一原理計算によって理解することも重要です。当研究グループでは、第一原理計算の手法開発や解析理論の研究を通して、強相関電子系の電子状態の研究に取り組んでいます。