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髙吉　慎太郎 (タカヨシ　シンタロウ)

TAKAYOSHI Shintaro

職名

教授

学位

博士（理学）(東京大学), 修士（理学）(東京大学), 学士（理学）(東京大学)

専門分野

半導体、光物性、原子物理, 物性理論、量子ダイナミクス

ホームページ

https://sites.google.com/site/shintarotakayoshi/japanese_top

外部リンク

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出身学校 【 表示 ／ 非表示 】

  • 東京大学   理学部   物理学科   卒業

    2003年4月 - 2007年3月

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出身大学院 【 表示 ／ 非表示 】

  • 東京大学   理学系研究科   物理学専攻   博士課程   修了

    2009年4月 - 2012年3月

  • 東京大学   理学系研究科   物理学専攻   修士課程   修了

    2007年4月 - 2009年3月

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留学歴 【 表示 ／ 非表示 】

  • 2018年9月
    -
    2020年3月

    マックスプランク複雑系物理学研究所   研究員

  • 2015年9月
    -
    2018年9月

    ジュネーブ大学   博士研究員

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学内職務経歴 【 表示 ／ 非表示 】

  • 甲南大学   理工学部   物理学科   教授

    2025年4月 - 現在

  • 甲南大学   理工学部   物理学科   准教授

    2020年4月 - 2025年3月

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学外略歴 【 表示 ／ 非表示 】

  • マックスプランク複雑系物理学研究所

    2018年9月 - 2020年3月

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    国名：ドイツ連邦共和国

  • マックスプランク複雑系物理学研究所

    2018年9月 - 2020年3月

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    国名：ドイツ連邦共和国

  • ジュネーブ大学

    2015年9月 - 2018年9月

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    国名：スイス連邦

  • 東京大学   大学院理学系研究科物理学専攻

    2015年5月 - 2015年8月

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    国名：日本国

  • 物質・材料研究機構   理論計算科学ユニット材料特性理論グループ

    2013年4月 - 2015年4月

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    国名：日本国

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所属学協会 【 表示 ／ 非表示 】

  • 日本物理学会

    2007年7月 - 現在

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研究経歴 【 表示 ／ 非表示 】

  • レーザー駆動による超高速スピントロニクスの理論

    研究期間： 2020年4月  -  現在

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    固体物理学では、圧力・温度・磁場などさまざまなパラメータを調整することで、多彩な秩序相・相転移現象を実現できる。本研究では、そこにレーザーという新しいパラメータを持ち込み、平衡系では実現が不可能または困難であるような相を安定化させることを目指す。 ダイオードや半導体のようなエレクトロニクス素子は物質中の電荷を制御する現代社会に欠かせない技術であるが、近年電子のもつ別の自由度であるスピン(磁気)を活用してジュール熱散逸のない省エネルギーデバイスへの応用を目指すスピントロニクス分野が発展を遂げており、さらに円偏光レーザーを利用した磁化反転実験などスピントロニクスに量子光学技術を応用する試みも進んでいる。また非平衡・動的現象の解明は物性基礎論・統計物理の重要課題でもある。 以上のような背景をふまえて、私は光物性・スピントロニクス・物性理論の境界領域の研究として、磁性体にレーザーを照射したときのダイナミクスを理論的に解析し、その物性を超高速で制御することを目指している。

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論文 【 表示 ／ 非表示 】

  • Many-body Keldysh crossover in the dc-driven Haldane spin chain 査読あり 国際誌

    Koichi Okazaki, Shun Okumura, Shintaro Takayoshi, Takashi Oka

    Physical Review B   111 ( 23 )   235422   2025年6月

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    共著

    出版者・発行元：American Physical Society (APS)  

    We theoretically investigate nonlinear processes driven by a DC spin-electric field in the antiferromagnetic spin-1 Heisenberg model with the system initially in its ground state (the Haldane phase). The DC spin-electric field generates finite spin current and spin accumulation because the field destroys the symmetry-protected topological order. We identify two microscopic mechanisms responsible for the breakdown as well as the crossover between these mechanisms: In weak fields, tripron-antitripron pair creation occurs through the tunneling mechanism, and in strong fields, the system is described by an effective Hamiltonian in which the protecting symmetries are broken. We analyze the numerical results using the Dykhne-Davis-Pechukas theory and the Floquet theory, verifying the universal picture of the many-body Keldysh crossover in DC-driven quantum spin systems.

    DOI： 10.1103/hml5-p6cw

  • Many-Body Effects on High-Harmonic Generation in Hubbard Ladders 査読あり 国際共著

    Yuta Murakami, Thomas Hansen, Shintaro Takayoshi, Lars Bojer Madsen, Philipp Werner

    Physical Review Letters   134 ( 9 )   096504   2025年3月

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    共著

    出版者・発行元：American Physical Society (APS)  

    We unveil multifaceted effects of spin-charge couplings on the high-harmonic generation (HHG) in Mott insulators by analyzing the two-leg ladder Hubbard model, where spin dynamics activated by the interchain hopping ty drastically modifies the HHG features. When the two chains are decoupled (ty=0), HHG originates from the dynamics of coherent doublon-holon pairs because of spin-charge separation. With increasing ty, the doublon-holon pairs lose their coherence due to their interchain hopping and resultant nonlocal spin strings. Furthermore, the HHG signal from spin polarons—charges dressed by spin clouds—leads to an additional plateau in the HHG spectrum. For large ty, we identify unconventional HHG processes involving three elementary excitations—two polarons and one magnon. Our study is an essential step toward a microscopic understanding of nontrivial many-body effects on HHG in correlated materials beyond conventional semiconductors.

    DOI： 10.1103/physrevlett.134.096504

    その他リンク： http://harvest.aps.org/v2/journals/articles/10.1103/PhysRevLett.134.096504/fulltext

  • Phase transitions and spin dynamics of the quasi-one dimensional Ising-like antiferromagnet BaCo2V2O8 in a longitudinal magnetic field 査読あり 国際共著 国際誌

    Shintaro Takayoshi, Quentin Faure, Virginie Simonet, Béatrice Grenier, Sylvain Petit, Jacques Ollivier, Pascal Lejay, Thierry Giamarchi

    Physical Review Research   5 ( 2 )   023205   2023年6月

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    共著

    担当区分：筆頭著者,　責任著者   出版者・発行元：American Physical Society (APS)  

    By combining inelastic neutron scattering and numerical simulations, we study the quasi-one-dimensional Ising-like quantum antiferromagnet BaCo2⁢V2⁢O8
    in a longitudinal magnetic field applied along the Ising anisotropy, which is also the chain direction. The external field closes the excitation gap due to the magnetic anisotropy, inducing a transition from the Néel ordered state to an incommensurate longitudinal spin density wave phase. If the field is increased further, another transition into a transverse antiferromagnetic phase takes place at 9 T due to the competition between longitudinal and transverse correlations. We numerically and experimentally show that the model of XXZ chains connected by a weak interchain interaction well reproduces this transition. We also calculate the dynamical susceptibility and demonstrate that it agrees quantitatively with inelastic neutron scattering measurements. In contrast to the abrupt change of magnetic ordering, the spectra do not change much at the transition at 9 T, and the spin dynamics can be described as a Tomonaga-Luttinger liquid. We also refine the modeling of BaCo2⁢V2⁢O8
    by including a four-site periodic term arising from the crystal structure which enables one to account for an anomaly of the magnetic susceptibility appearing at 19.5 T, as well as for the anticrossing observed in the inelastic neutron scattering spectra.

    DOI： 10.1103/physrevresearch.5.023205

    その他リンク： http://harvest.aps.org/v2/journals/articles/10.1103/PhysRevResearch.5.023205/fulltext

  • Spin, Charge, and η-Spin Separation in One-Dimensional Photodoped Mott Insulators 査読あり 国際共著 国際誌

    Yuta Murakami, Shintaro Takayoshi, Tatsuya Kaneko, Andreas M. Läuchli, Philipp Werner

    Physical Review Letters   130 ( 10 )   106501   2023年3月

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    共著

    出版者・発行元：American Physical Society (APS)  

    We show that effectively cold metastable states in one-dimensional photodoped Mott insulators described by the extended Hubbard model exhibit spin, charge, and η-spin separation. Their wave functions in the large on-site Coulomb interaction limit can be expressed as |Ψ>=|Ψcharge>|Ψspin>|Ψη-spin>, which is analogous to the Ogata-Shiba states of the doped Hubbard model in equilibrium. Here, the η-spin represents the type of photo-generated pseudoparticles (doublon or holon). |Ψcharge> is determined by spinless free fermions, |Ψspin> by the isotropic Heisenberg model in the squeezed spin space, and |Ψη-spin> by the XXZ model in the squeezed η-spin space. In particular, the metastable η-pairing and charge-density-wave (CDW) states correspond to the gapless and gapful states of the XXZ model. The specific form of the wave function allows us to accurately determine the exponents of correlation functions. The form also suggests that the central charge of the η-pairing state is 3 and that of the CDW phase is 2, which we numerically confirm. Our study provides analytic and intuitive insights into the correlations between active degrees of freedom in photodoped strongly correlated systems.

    DOI： 10.1103/PhysRevLett.130.106501

    その他リンク： https://link.aps.org/article/10.1103/PhysRevLett.130.106501

  • Mott memristors based on field-induced carrier avalanche multiplication 査読あり 国際共著 国際誌

    Francesco Peronaci, Sara Ameli, Shintaro Takayoshi, Alexandra S. Landsman, Takashi Oka

    Physical Review B   107 ( 7 )   075154   2023年2月

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    共著

    出版者・発行元：American Physical Society (APS)  

    We present a theory of Mott memristors whose working principle is the nonlinear carrier avalanche multiplication in Mott insulators subject to strong electric fields. The internal state of the memristor, which determines its resistance, is encoded in the density of doublon and hole excitations in the Mott insulator. In the current-voltage characteristic, insulating and conducting states are separated by a negative-differential-resistance region, leading to hysteretic behavior. Under oscillating voltage, the response of a voltage-controlled, nonpolar memristive system is obtained, with retarded current and pinched hysteresis loop. As a first step towards neuromorphic applications, we demonstrate self-sustained spiking oscillations in a circuit with a parallel capacitor. Being based on electronic excitations only, this memristor is up to several orders of magnitude faster than previous proposals relying on Joule heating or ionic drift.

    DOI： 10.1103/PhysRevB.107.075154

    その他リンク： http://harvest.aps.org/v2/journals/articles/10.1103/PhysRevB.107.075154/fulltext

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総説・解説記事（Misc） 【 表示 ／ 非表示 】

  • キタエフスピン液体におけるマヨラナ素励起の局所検出—固体物理〈キタエフスピン液体の新展開〉特集号 ; ダイナミクスと新奇物性

    宇田川 将文, 高吉 慎太郎, 岡 隆史

    固体物理 / アグネ技術センター [編]   57 ( 11 )   713 - 724   2022年11月

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    出版者・発行元：アグネ技術センター  

    CiNii Books

  • レーザー誘起マグノントポロジカル絶縁体

    仲田 光樹, 高吉 慎太郎

    日本物理学会講演概要集   75.1   1372 - 1372   2020年

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    出版者・発行元：一般社団法人 日本物理学会  

    DOI： 10.11316/jpsgaiyo.75.1.0_1372

    CiNii Article

  • 擬1次元反強磁性体におけるスピノン閉じ込めと量子相転移

    高吉 慎太郎, 古谷 峻介

    日本物理学会講演概要集   74.1   1215 - 1215   2019年

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    出版者・発行元：一般社団法人 日本物理学会  

    DOI： 10.11316/jpsgaiyo.74.1.0_1215

    CiNii Article

  • AKLT状態のエンタングルメントスペクトルへの場の理論的アプローチ

    田中 秋広, 高吉 慎太郎

    日本物理学会講演概要集   72 ( 0 )   2419 - 2419   2017年

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    出版者・発行元：一般社団法人 日本物理学会  

    DOI： 10.11316/jpsgaiyo.72.2.0_2419

    CiNii Article

  • レーザー駆動超高速スピントロニクスとフロケエンジニアリング

    佐藤 正寛, 高吉 慎太郎, 岡 隆史

    日本物理学会誌   72 ( 11 )   783 - 792   2017年

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    出版者・発行元：一般社団法人 日本物理学会  

    <p>「磁性体の磁化の向きを限界まで素早く変えたい．」これは次世代情報素子のコアとなりうるスピントロニクス技術であるのみならず，多数スピンの非平衡統計力学として基礎物理学的にも重要な概念である．近年この問題に対して，光を用いた戦略が盛んに議論されている．レーザーパルスの整形・変調，メタマテリアルやプラズモニクスなど光科学分野の実験の進展は目覚ましい．そのような最先端の光技術を上手に使えば，スピンの集団運動にとっての量子力学的な限界速度であるピコ（10－12）秒という時間スケールで磁化を制御できるのだ．</p><p>この「超高速スピントロニクス」の実現には，磁性体と光との結合様式（光・物質結合）や時間変化する外場中における量子系の時間発展（量子ダイナミクス）を理解する必要がある．しかし，多自由度を取り扱う固体物理分野では量子ダイナミクス研究の進歩が遅れていた．その一因として，多自由度の協調現象を扱う基本的な枠組みが整備途上であり，平衡系で慣れ親しんだエネルギーや固有状態などの議論の足がかりを失うことが挙げられる．レーザー中の多体系の解析では「非平衡系の相転移とは何か？ それをどう特徴付けるべきか？」などの疑問の解消が望まれる訳である．</p><p>実はこの問題は，磁気共鳴，量子化学，量子光学などのダイナミクスとの関わりが避けて通れない分野においては限定的ながら解決されている．レーザー電磁場を時間について周期的な外場とみなすと，系は離散的な時間並進対称性を持つ．このときエネルギーや固有状態といった概念が復活するのだ．この「フロケ理論」，そして回転枠などへの「ユニタリ変換の方法」を使うと，時間依存ハミルトニアンが駆動する多体系ダイナミクスを静的な有効ハミルトニアンで理解できるのである．望みの物性が実現するような動的状況を与える外場をフロケ理論の有効模型からさかのぼって設計することを，物性を操るという意味を込めて「フロケエンジニアリング」と呼ぶ．</p><p>多体系のフロケエンジニアリングは，冷却原子系や電子系で発展してきたが，近年磁性体の制御にも適用されはじめている．例えば，標準的な磁性絶縁体に円偏光レーザーを照射し磁化を生成・成長させる方法が提案されている．これはレーザー周波数のエネルギースケールに対応する大きな静磁場が有効模型に現れることに由来する．</p><p>レーザーによるスピン流生成は超高速スピントロニクスの主要テーマの一つであり，特異な光・物質結合を持つマルチフェロイクス（強誘電磁性体）が注目されている．この系ではスピンはレーザーの磁場成分だけでなく電場にも応答する．あるクラスのマルチフェロイクスに円偏光レーザーを照射するとベクトルスピンカイラリティ（またはジャロシンスキー・守谷相互作用）が生じることが有効模型・数値計算から示唆される．これを利用したスピン流の生成，およびその検出方法について，現実的な実験セットアップの理論提案もなされている．</p><p>レーザーを用いた物性制御は従来型秩序にとどまらず，系のトポロジカル秩序をも変化させられる．その具体例としてキタエフ模型への円偏光レーザー印加の研究がある．有効模型に生じるホッピング項がスピン液体基底状態にギャップをもたらし，系をエッジ状態を持つトポロジカルな状態へと変化させることが予言される．</p>

    DOI： 10.11316/butsuri.72.11_783

    CiNii Article

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講演・口頭発表等 【 表示 ／ 非表示 】

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科研費（文科省・学振）獲得実績 【 表示 ／ 非表示 】

  • 多体励起子の時空間・逆空間イメージングから迫る凝縮体の量子相制御

    2024年4月 - 2028年3月

    学術振興機構 科学研究費助成事業 基盤研究(A)

    辻 直人, Dani Keshav, 高吉 慎太郎, 村上 雄太, 金子 竜也

  • トポロジカル磁性体を基盤とする量子計算のための理論構築

    2022年4月 - 2025年3月

    学術振興機構 科学研究費助成事業 基盤研究(B)

    宇田川 将文, 岡 隆史, 高吉 慎太郎

  • 外場駆動で誘起される乱れた系における新奇状態の探索

    2021年4月 - 2024年3月

    学術振興機構 科学研究費助成事業 基盤研究(C)

    高吉 慎太郎

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    乱れた系において高精度の数値計算をおこなうために、密度行列繰り込み群によって量子系の基底状態を求め、スペクトル関数を評価する手法であるKernel Polynomial methodを併用することで動的伝導率を計算するChebyshev MPS法のシミュレーションコードを開発した。また本年度は以下の3つの関連テーマに関して結果を得た。(1)ランダウ・ゼナー型のトンネル現象に対して、パラメーター空間に曲率を生じるような2次項を付加した場合に生じる非断熱幾何学的効果について調べた。ユニタリー変換の手法でトンネル確率公式を導出し、整流効果・完全トンネリング・高速スイープにおけるcounterdiabaticityなどの新奇現象を見出すとともに、応用として円偏光を照射したディラック・ワイル系における電子・正孔対生成の波数空間分布を計算し、非摂動的に生成されるバレー分極およびスピン流を定量的に求めた。(2)モット絶縁体の光ドープ状態における長時間の振る舞いを、平衡状態の手法に基づいて系統的に解析するために、一般化ギブス・アンサンブルによる記述法を導入した。これを用いて1次元拡張ハバード模型の非平衡相図を計算し、光キャリアドープ領域において、ηペアリングおよび電荷密度波によって特徴づけられる相が存在することを示した。さらに、これらの非平衡新奇相の実現には、光キャリアのダイナミクスとキャリア間相互作用が重要な役割を果たすことを明らかにした。(3)実験グループとの共同研究で、擬一次元異方的ハイゼンベルグ反強磁性体BaCo2V2O8の横磁場下でのダイナミクスを中性子非弾性散乱実験と、場の理論・数値シミュレーションによる理論解析を組み合わせることで明らかにした。

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研究費にかかる研究（調査）活動報告書 【 表示 ／ 非表示 】

  • 2024年度  強相関物質におけるダイナミクスの理論

    研究費の種類： その他

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    レーザーを照射した強相関電子系の高次高調波発生に関する研究を行い、計1本の論文を出版した。

  • 2023年度  強相関物質におけるダイナミクスの理論

    研究費の種類： その他

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    レーザーを用いて強相関電子系の物性を制御する研究を行い、計1本の論文を出版した。

  • 2022年度  強相関物質におけるダイナミクスの理論

    研究費の種類： その他

    　詳細を見る

    レーザーを用いて強相関電子系の物性を制御する研究を行い、計4本の論文を出版した。

  • 2021年度  強相関物質におけるダイナミクスの理論

    研究費の種類： その他

    　詳細を見る

    レーザーを用いて強相関電子系の物性を制御する研究を行い、計4本の論文を出版した。

  • 2020年度  強相関物質におけるダイナミクスの理論

    研究費の種類： その他

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    レーザーを用いて強相関電子系の物性を制御する研究を行い、計4本の論文を出版した。

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ティーチングポートフォリオ 【 表示 ／ 非表示 】

  • 2024年度

    教育の責任（何をやっているか：主たる担当科目）：

    量子力学III、統計力学II、コンピュータ入門、基礎物理学実験、物理学実験I,II、ワークショップIb,IIb,IIIb,IVb、物理工学リサーチ、物理学卒業研究、量子物理学、物理学研究演習I,II、物理学特別研究

    教育の理念（なぜやっているか：教育目標）：

    教育の方法（どのようにやっているか：教育の工夫）：

    教育方法の評価・学習の成果（どうだったか：結果と評価）：

    改善点・今後の目標（これからどうするか）：

    根拠資料（資料の種類などの名称）：

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