2025/06/16 更新

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イソベ ヒロキ
磯部 大樹
ISOBE HIROKI
所属
理学研究院 物理学部門 准教授
理学部 物理学科(併任)
理学府 物理学専攻(併任)
職名
准教授

研究分野

  • 自然科学一般 / 半導体、光物性、原子物理

  • 自然科学一般 / 磁性、超伝導、強相関系

学位

  • 博士(工学) ( 2015年9月 東京大学 )

経歴

  • 九州大学 理学研究院 物理学部門  准教授 

    2024年7月 - 現在

  • 特定国立研究開発法人理化学研究所 創発物性科学研究センター 研究員 

    2023年4月 - 2024年6月

  • 東京大学 大学院工学系研究科 物理工学専攻 助教 

    2020年11月 - 2023年3月

  • マサチューセッツ工科大学   

    2015年10月 - 2020年10月

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    国名:アメリカ合衆国

学歴

  • 東京大学   工学系研究科   物理工学専攻

    2011年4月 - 2015年9月

  • 東京大学    

    2007年4月 - 2011年3月

研究テーマ・研究キーワード

  • 研究テーマ: マヨラナフェルミオン

    研究キーワード: マヨラナフェルミオン

    研究期間: 2019年 - 現在

  • 研究テーマ: 超伝導

    研究キーワード: 超伝導

    研究期間: 2018年 - 現在

  • 研究テーマ: 整流効果

    研究キーワード: 整流効果

    研究期間: 2018年 - 現在

  • 研究テーマ: 非線形応答

    研究キーワード: 非線形応答

    研究期間: 2018年 - 現在

  • 研究テーマ: 非エルミート量子力学

    研究キーワード: 非エルミート量子力学

    研究期間: 2018年 - 現在

  • 研究テーマ: モアレ物質

    研究キーワード: モアレ物質

    研究期間: 2018年 - 現在

  • 研究テーマ: 量子ホール効果

    研究キーワード: 量子ホール効果

    研究期間: 2017年 - 現在

  • 研究テーマ: 非フェルミ流体

    研究キーワード: 非フェルミ流体

    研究期間: 2015年 - 現在

  • 研究テーマ: 磁性

    研究キーワード: 磁性

    研究期間: 2014年 - 現在

  • 研究テーマ: 結晶性トポロジカル絶縁体

    研究キーワード: 結晶性トポロジカル絶縁体

    研究期間: 2013年 - 現在

  • 研究テーマ: 有機導体

    研究キーワード: 有機導体

    研究期間: 2012年 - 2015年

  • 研究テーマ: トポロジカル物質

    研究キーワード: トポロジカル物質

    研究期間: 2011年 - 現在

  • 研究テーマ: 繰り込み群

    研究キーワード: 繰り込み群

    研究期間: 2011年 - 現在

  • 研究テーマ: トポロジカル絶縁体

    研究キーワード: トポロジカル絶縁体

    研究期間: 2011年 - 現在

  • 研究テーマ: 量子臨界現象

    研究キーワード: 量子臨界現象

    研究期間: 2011年 - 現在

  • 研究テーマ: 量子電気力学

    研究キーワード: 量子電気力学

    研究期間: 2011年 - 現在

  • 研究テーマ: ディラック物質

    研究キーワード: ディラック物質

    研究期間: 2011年 - 現在

  • 研究テーマ: 電子相関

    研究キーワード: 電子相関

    研究期間: 2011年 - 現在

論文

  • Nonlinear edge transport in a quantum Hall system

    Isobe H., Nagaosa N.

    Science advances   10 ( 43 )   eado2704   2024年10月   ISSN:2375-2548

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Science advances  

    Nonlinear transport phenomena in condensed matter reflect the geometric nature, quantum coherence, and many-body correlation of electronic states. Electric currents in solids are classified into (i) ohmic current, (ii) supercurrent, and (iii) geometric or topological current. While the nonlinear current-voltage (I-V) characteristics of the former two categories have been extensive research topics recently, those of the last category remains unexplored. Among them, the quantum Hall current is a representative example. Realized in two-dimensional electronic systems under a strong magnetic field, the topological protection quantizes the Hall conductance in the unit of e2/h (e, elementary charge; and h, Planck constant), of which the edge transport picture gives a good account. Here, we theoretically study the nonlinear I-VH characteristic of the edge transport up to third order in VH. We find that nonlinearity arises in the Hall response from electron-electron interaction between the counterpropagating edge channels with the nonlinear energy dispersions. We also discuss possible experimental observations.

    DOI: 10.1126/sciadv.ado2704

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

    リポジトリ公開URL: https://hdl.handle.net/2324/7361955

  • Third-order nonlinear Hall effect in a quantum Hall system

    He, P; Isobe, H; Koon, GKW; Tan, JY; Hu, JX; Li, JR; Nagaosa, N; Shen, J

    NATURE NANOTECHNOLOGY   19 ( 10 )   1460 - 1465   2024年10月   ISSN:1748-3387 eISSN:1748-3395

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Nature Nanotechnology  

    In two-dimensional systems, perpendicular magnetic fields can induce a bulk band gap and chiral edge states, which gives rise to the quantum Hall effect. The quantum Hall effect is characterized by zero longitudinal resistance (Rxx) and Hall resistance (Rxy) plateaus quantized to h/(υe2) in the linear response regime, where υ is the Landau level filling factor, e is the elementary charge and h is Planck’s constant. Here we explore the nonlinear response of monolayer graphene when tuned to a quantum Hall state. We observe a third-order Hall effect that exhibits a nonzero voltage plateau scaling cubically with the probe current. By contrast, the third-order longitudinal voltage remains zero. The magnitude of the third-order response is insensitive to variations in magnetic field (down to ~5 T) and in temperature (up to ~60 K). Moreover, the third-order response emerges in graphene devices with a variety of geometries, different substrates and stacking configurations. We term the effect third-order nonlinear response of the quantum Hall state and propose that electron–electron interaction between the quantum Hall edge states is the origin of the nonlinear response of the quantum Hall state.

    DOI: 10.1038/s41565-024-01730-1

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  • Theory of Thermopolarization Effect

    Onishi, Y; Isobe, H; Shitade, A; Nagaosa, N

    NANO LETTERS   25 ( 7 )   2763 - 2768   2025年2月   ISSN:1530-6984 eISSN:1530-6992

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Nano Letters  

    We study the polarization response to a temperature gradient in insulators, known as the thermopolarization effect. We show that this response can be understood through the free energy response function to an electric field gradient, which we call the Q tensor. By using the Q tensor, we present a unified description of the polarization responses to both electric fields and temperature gradients and derive the generalized Mott relation. Additionally, we draw an analogy with the anomalous Hall and Nernst effects. These effects are observable as the Seebeck effect when the system’s linear size is shorter than the screening length.

    DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c05870

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  • Nonreciprocal nonlinear responses in moving charge density waves

    Xie, YM; Isobe, H; Nagaosa, N

    NPJ QUANTUM MATERIALS   9 ( 1 )   2024年10月   eISSN:2397-4648

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:npj Quantum Materials  

    The incommensurate charge density wave states (CDWs) can exhibit steady motion in the flow limit after depinning, behaving as a nonequilibrium system with time-dependent states. Since the moving CDW, like an electric current, breaks both time-reversal and inversion symmetries, one may speculate the emergence of nonreciprocal nonlinear responses from such motion. However, the moving CDW order parameter is intrinsically time-dependent in the lab frame, and it is known to be challenging to evaluate the responses of such a time-varying system. In this work, following the principle of Galilean relativity, we resolve this time-dependent hard problem in the lab frame by mapping the system to the comoving frame with static CDW states through the Galilean transformation. We explicitly show that the nonreciprocal nonlinear responses would be generated by the movement of CDW states through violating Galilean relativity.

    DOI: 10.1038/s41535-024-00695-7

    Web of Science

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  • Anomalous Hall effect from a non-Hermitian viewpoint

    Isobe, H; Nagaosa, N

    PHYSICAL REVIEW B   107 ( 20 )   2023年5月   ISSN:2469-9950 eISSN:2469-9969

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physical Review B  

    Non-Hermitian descriptions often model open or driven systems away from the equilibrium. Nonetheless, in equilibrium electronic systems, a non-Hermitian nature of an effective Hamiltonian manifests itself as unconventional observables such as a bulk Fermi arc and skin effects. We theoretically reveal that spin-dependent quasiparticle lifetimes, which signify the non-Hermiticity of an effective model in the equilibrium, induce the anomalous Hall effect, namely, the Hall effect without an external magnetic field. We first examine the effect of nonmagnetic and magnetic impurities and obtain a non-Hermitian effective model. Then, we calculate the Kubo formula from the microscopic model to ascertain a non-Hermitian interpretation of the longitudinal and Hall conductivities. Our results elucidate the vital role of the non-Hermitian equilibrium nature in the quantum transport phenomena.

    DOI: 10.1103/PhysRevB.107.L201116

    Web of Science

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    その他リンク: http://harvest.aps.org/v2/journals/articles/10.1103/PhysRevB.107.L201116/fulltext

  • Quantum Transport and Magnetism of Dirac Electrons in Solids

    Isobe, H; Nagaosa, N

    PHYSICAL REVIEW LETTERS   129 ( 21 )   216601   2022年11月   ISSN:0031-9007 eISSN:1079-7114

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physical Review Letters  

    The relativistic Dirac equation covers the fundamentals of electronic phenomena in solids and as such it effectively describes the electronic states of the topological insulators like Bi2Se3 and Bi2Te3. Topological insulators feature gapless surface states and, moreover, magnetic doping and resultant ferromagnetic ordering break time-reversal symmetry to realize quantum anomalous Hall and Chern insulators. Here, we focus on the bulk and investigate the mutual coupling of electronic and magnetic properties of Dirac electrons. Without carrier doping, spiral magnetic orders cause a ferroelectric polarization through the spin-orbit coupling. In a doped metallic state, the anisotropic magnetoresistance arises without uniform magnetization. We find that electric current induces uniform magnetization and conversely an oscillating magnetic order induces electric current. Our model provides a coherent and unified description of all those phenomena. The mutual control of electric and magnetic properties demonstrates implementations of antiferromagnetic spintronics. We also discuss the stoichiometric magnetic topological insulator MnBi2Te4.

    DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.216601

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

    その他リンク: http://harvest.aps.org/v2/journals/articles/10.1103/PhysRevLett.129.216601/fulltext

  • Toroidal Scattering and Nonreciprocal Transport by Magnetic Impurities

    Isobe, H; Nagaosa, N

    JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN   91 ( 11 )   2022年10月   ISSN:0031-9015

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Journal of the Physical Society of Japan  

    We propose the second-order response of metals in an electric field induced by magnetic impurities which locally break inversion symmetry. The impurities with toroidal moments scatter conduction electrons in the presence of the spin–orbit coupling, leading to nonreciprocal response. This mechanism is ubiquitous when a magnetic impurity is placed off an inversion center such as an interstitial site and a surface of a two-dimensional system.

    DOI: 10.7566/JPSJ.91.115001

    Web of Science

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  • Graphene moire superlattices with giant quantum nonlinearity of chiral Bloch electrons

    He, P; Koon, GKW; Isobe, H; Tan, JY; Hu, JX; Neto, AHC; Fu, L; Yang, H

    NATURE NANOTECHNOLOGY   17 ( 4 )   378 - +   2022年4月   ISSN:1748-3387 eISSN:1748-3395

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Nature Nanotechnology  

    Graphene-based samples have shown a plethora of exotic characteristics and these properties may help the realization of a new generation of fast electronic devices. However, graphene’s centrosymmetry prohibits second-order electronic transport. Here, we show giant second-order nonlinear transports in graphene moiré superlattices at zero magnetic field, both longitudinal and transverse to the applied current direction. High carrier mobility and inversion symmetry breaking by hexagonal boron nitride lead to nonlinear conductivities five orders of magnitude larger than those in WTe2. The nonlinear conductivity strongly depends on the gate voltage as well as on the stacking configuration, with a giant enhancement originating from the moiré bands. Longitudinal nonlinear conductivity cannot originate from Berry curvature dipoles. Our theoretical modelling highlights skew scattering of chiral Bloch electrons as the physical origin. With these results, we demonstrate nonlinear charge transport due to valley-contrasting chirality, which constitutes an alternative means to induce second-order transports in van der Waals heterostructures. Our approach is promising for applications in frequency-doubling and energy harvesting via rectification.

    DOI: 10.1038/s41565-021-01060-6

    Web of Science

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書籍等出版物

講演・口頭発表等

MISC

  • ディラック模型からはじめる多バンド電子物性理論

    磯部 大樹

    物性若手夏の学校テキスト   257 - 266   2025年1月

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    担当区分:筆頭著者, 最終著者, 責任著者   記述言語:日本語   掲載種別:講演資料等(セミナー,チュートリアル,講習,講義他)  

    DOI: 10.57393/natsugaku.3.0_257

産業財産権

特許権   出願件数: 2件   登録件数: 2件
実用新案権   出願件数: 0件   登録件数: 0件
意匠権   出願件数: 0件   登録件数: 0件
商標権   出願件数: 0件   登録件数: 0件

委員歴

  • 日本物理学会   領域4 領域運営委員   国内

    2025年4月 - 2026年3月   

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    団体区分:学協会

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 量子非線形応答の理論的研究

    研究課題/領域番号:24H00197  2024年4月 - 2028年3月

    科学研究費補助金  基盤研究(A)

    永長 直人, 磯部 大樹

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    担当区分:研究分担者  資金種別:科研費

    固体中電子の示す量子非線形現象・応答を、その量子幾何学的側面に着目して理論的に明らかにする。固体中の3種の電子流である、オーミック流、超伝導流、幾何学的電子流、それぞれが示す非線形応答を解明する。(1)量子ホール系、トポロジカル絶縁体、ワイル半金属におけるトポロジカルカレントが示す非線形輸送特性および非線形光学応答の理論、 (2) 非相反ジョセフソン接合におけるアンドレーフ束縛状態としてのマヨラナフェルミオンと超伝導ダイオード効果の理論、(3) 金属および絶縁体磁性体における非共線スピン構造に由来する創発電磁場が誘起する種々の非線形応答の理論、の3つのテーマを開拓する。

    CiNii Research

教育活動概要

  • 学部・大学院の講義・演習および学生への研究教育活動を行う。

担当授業科目

  • 物理数学ⅡB

    2025年12月 - 2026年2月   冬学期

  • 物理数学Ⅱ(R2以前入学者用)

    2025年10月 - 2026年3月   後期

  • 物理学基礎演習

    2025年10月 - 2026年3月   後期

  • 物理数学ⅡA

    2025年10月 - 2025年12月   秋学期

  • 物理数学ⅡB

    2024年12月 - 2025年2月   冬学期

  • 物理学基礎演習

    2024年10月 - 2025年3月   後期

  • 物理数学Ⅱ(R2以前入学者用)

    2024年10月 - 2025年3月   後期

  • 物理数学ⅡA

    2024年10月 - 2024年12月   秋学期

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FD参加状況

  • 2025年4月   役割:参加   名称:令和7年度 第1回全学FD(新任教員FDの研修)The 1st All-University FD (training for new faculty members) in FY2025

    主催組織:全学

  • 2025年3月   役割:参加   名称:【物理学科FD】物理学の教育・研究における生成AI の活用と課題

    主催組織:学科

他大学・他機関等の客員・兼任・非常勤講師等

  • 2025年  理化学研究所 

  • 2024年  理化学研究所 

メディア報道