Updated on 2024/04/26

写真a

 
TOJO, Tatsuki
 
Affiliation
Faculty of Science and Engineering, School of Advanced Science and Engineering
Job title
Assistant Professor(without tenure)
Degree
Doctor of Science ( 2022.03 Waseda University )

Education Background

  • 2019.04
    -
    2022.03

    Waseda University   Graduate School of Advanced Science and Engineering   Department of Electrical Engineering and Bioscience  

    Doctoral course

  • 2017.04
    -
    2019.03

    Waseda University   Graduate School of Advanced Science and Engineering   Department of Electrical Engineering and Bioscience  

    Master's course

  • 2013.04
    -
    2017.03

    Waseda University   School of Advanced Science and Engineering   Department of Electrical Engineering and Bioscience  

Professional Memberships

  • 2023.08
    -
    Now

    Materials Research Society

  • 2021.01
    -
    Now

    American Physical Society

  • 2016.12
    -
    Now

    The Physical Society of Japan

Research Areas

  • Nanostructural physics / Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics

Research Interests

  • Quantum Materials Science

 

Papers

  • Non-Abelian Berry phase for semiconductor heavy holes under the coexistence of Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    Physical Review B   108 ( 12 )  2023.09  [Refereed]

    Authorship：Lead author, Corresponding author

    DOI

  • Berry Phases for the Multi-Subband System; Holes Confined in Diamond Two-Dimensional Quantum Well

    Katsumi Sato, Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    Proceedings of the 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)   38   011016  2023.05  [Refereed]

    DOI

  • Hole Spin Current Induced by Rashba Spin–Orbit Interaction in Diamond Two-Dimensional Quantum Well System

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    Proceedings of the 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)   38   011017  2023.05  [Refereed]

    Authorship：Lead author, Corresponding author

    DOI

  • Rashba-Field-Driven Larmor Precession of Holes Confined in Diamond Quantum Well System

    Shuhei Nakazawa, Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    Proceedings of the 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)   38   011018  2023.05  [Refereed]

    DOI

  • Spin Textures and Berry Phases for Holes Confined in SiGe Mixed‐Alloy 2D Quantum Well System: Quantization of Berry Phase via Intersubband Interaction

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    physica status solidi (b)   260 ( 5 )  2022.10  [Refereed]

    Authorship：Lead author, Corresponding author

    　View Summary

    In their last article [Phys. Lett. A 2021, 389, 127091], the authors have extended the approach by considering crossings with the spin–orbit interaction (SOI) up to the second order and studied the spin texture and Berry phase of the heavy‐mass holes (HHs) confined in the SiGe 2D quantum well system. HHs cause quasi‐degeneracy via the intersub‐band interaction (ISI) working as Dirac‐like singularity, leading to the energy‐dependent Berry phase “quantized” by π. This π quantization is understandable by counting the number of quasi‐degenerate points in the Brillouin zone alongside recognizing the sign of the Berry curvature there. Herein, the remaining holes of the light‐mass holes (LHs) and separate holes (SHs) are studied. The spin textures and the Berry curvatures and phases are explored comprehensively, focusing on the competition between the Rashba and Dresselhaus SOIs via ISI. Comparisons with HHs elucidate that LHs and SHs cause similar quasi‐degeneracy through ISI, functioning as the Dirac‐like singularity. As such, the Berry phase is quantized by π, confirming the validity of the counting model irrespective of hole type. In some peculiar cases, HHs and LHs cause a possible sign inversion in the Berry phase, leading to zero Berry phase against temperature.

    DOI

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    1
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    (Scopus)

  • Spin texture and Berry phase for heavy-mass holes confined in SiGe mixed-alloy two-dimensional system: Intersubband interaction via the coexistence of Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    Physics Letters A   389   127091 - 127091  2021.02  [Refereed]

    Authorship：Lead author, Corresponding author

    DOI

    Scopus

    2
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    (Scopus)

  • Rashba Spin–Orbit Interaction for Holes Confined in Quasi-Two Dimensional Silicon Quantum Well System II: Modification of Larmor Spin Precession

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    Journal of the Physical Society of Japan   88 ( 12 ) 124711 - 124711  2019.12  [Refereed]

    Authorship：Lead author, Corresponding author

    DOI

  • Spin textures and Larmor precession of holes modulated by the spin–orbit coupling confined in the two-dimensional Si x Ge1−x mixed-alloy quantum well system

    Tatsuki Tojo, Kosei Tsuruta, Yuzuru Takahashi, Kyozaburo Takeda

    Journal of Physics: Condensed Matter   32 ( 9 ) 095302 - 095302  2019.11  [Refereed]

    Authorship：Lead author, Corresponding author

    DOI

  • Rashba Spin–Orbit Interaction for Holes Confined in Quasi-Two Dimensional Silicon Quantum Well System I: Modification of Spin Textures

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    Journal of the Physical Society of Japan   88 ( 9 ) 094711 - 094711  2019.09  [Refereed]

    Authorship：Lead author, Corresponding author

    DOI

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    5
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    (Scopus)

  • Spin-flip quantum transition driven by the time-oscillating Rashba field

    Masahi Inui, Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda, Yasuhiro Tokura

    Journal of Physics Communications   2 ( 1 )  2018.01  [Refereed]

    　View Summary

    Focusing on the spin-flip quantum transition, we study the time-dependent phenomena by the oscillating Rashba spin–orbit interaction. An electron is confined by a harmonic potential surrounded by a cylindrical hard-wall in a two-dimensional (2D) quantum dot. The oscillating Rashba external field having a frequency wis applied perpendicular to the 2D plane. The projection and discrete Fourier transform analyses reveal that the interstate transition causes the characteristic spin-flip quantum transition when the Rashba field has a resonant frequency. Particularly in the cylindrical hard-wall confinement, a typical Rabi oscillation results with a spin flipping. The perturbation approach up to the fourth-order terms satisfactorily explains the origin of the oscillating components found in the spin density.

    DOI

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    1
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    (Scopus)

  • Effect of isotropy and anisotropy of the confinement potential on the Rashba spin-orbit interaction for an electron in a two-dimensional quantum dot system

    Tatsuki Tojo, Masashi Inui, Ryo Ooi, Kyozaburo Takeda, Yasuhiro Tokura

    Japanese Journal of Applied Physics   56 ( 7 )  2017.07  [Refereed]

    Authorship：Lead author, Corresponding author

    　View Summary

    We theoretically study the energetics of the Rashba spin-orbit interaction (SOI) in the two-dimensional (2D) system by comparing the numerical calculation of the exact diagonalization with the analytical calculation based on the perturbation approach and also with the unitary transformed effective Hamiltonian method. The Rashba SOI consists of ls-like and Zeeman-like components, and the out-of-plane application of the external electric field generates the ls-like component, whereas the in-plane application generates the Zeeman-like part. Accordingly, we can separate them by tuning the direction of the applied external electric field. Interestingly, these features do not change provided the confinement is isotropic. The unitary transformation of the total Hamiltonian and the Liouvillian operator expansion technique demonstrate that the Rashba SOI energetics is represented fully in terms of the six orders, in the Rashba coupling. Consequently, the second-order perturbation approach satisfactorily describes the inherent features. When anisotropy is introduced in the confinement, the angular momentum is no longer a good quantum number. The resulting energetics of the Rashba SOI is then unified into the isotropic ground-state type (l = 0).

    DOI

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    (Scopus)

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Presentations

  • Logic Gate Analysis for Quantum Phase Differences in Systems with Multiple Degenerate Points

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    2023 MRS Fall Meeting & Exhibit 

    Presentation date： 2023.11

    Event date：
    2023.11
    -
    2023.12

  • Non-Abelian Berry Phases for Holes Confined in SiGe Two-Dimensional Quantum Well System

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    APS March Meeting 2023 

    Presentation date： 2023.03

    Event date：
    2023.03
    　
    　

  • Hole Spin Current induced by Rashba Spin–Orbit Interaction in Diamond Two-Dimensional Quantum Well System

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    29th International Conference on Low Temperature Physics 

    Presentation date： 2022.08

    Event date：
    2022.08
    　
    　

  • Spin texture and Larmor precession of holes confined in Si(x) Ge(1-x) two-dimensional quantum well system under Rashba external field

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    International Conference on the Physics of Semiconductors 2022 

    Presentation date： 2022.06

    Event date：
    2022.06
    　
    　

  • Berry Curvature for a Non-Abelian System - Positive Holes Confined in a Two-Dimensional Semiconductor Quantum Well -

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    24th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems 

    Presentation date： 2021.11

    Event date：
    2021.10
    -
    2021.11

  • Spin texture and Berry phase of heavy-mass holes confined in SiGe two-dimensional quantum well system under the coexistence of Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    APS March Meeting 2021 

    Presentation date： 2021.03

  • Spin texture and Larmor precession caused by Rashba spin–orbit interaction for holes confined in quasi-two dimensional silicon quantum well system: crystal face dependence

    Shuhei Nakazawa, Katsumi Sato, Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    APS March Meeting 2021 

    Presentation date： 2021.03

  • Spin Texture and Berry Curvature of Holes Confined in SiGe Quantum Well System

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    2020 MRS Fall Meeting 

    Presentation date： 2020.11

  • Modulation in the spin precession of interacting holes driven by Rashba spin-orbit interaction in the group-IV 2D quantum-well system

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    Modulation in the spin precession of interacting holes driven by Rashba spin-orbit interaction in the group-IV 2D quantum-well system 

    Presentation date： 2019.06

  • Spin precession driven by Rashba field for holes confined in two-dimensional quantum well system

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    Computational Sciences Workshop 2019 

    Presentation date： 2019.01

  • Anisotropic spin-polarization of holes driven by Rashba spin-orbit interaction confined in 2D group-IV semiconductor quantum well

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    10th International School and Conference on Physics and Applications of Spin Phenomena in Solids 

    Presentation date： 2018.08

  • Spin precession of holes driven by Rashba spin-orbit coupling confined in the 2D group-IV semiconductor quantum well system

    Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    50 years of optical orientation in semiconductors: From the original discovery to new horizons 

    Presentation date： 2018.06

  • Rashba spin-orbit interaction in 2D isotropic/anisotropic quantum dots

    Tatsuki Tojo, Masashi Inui, Ryo Ooi, Kyozaburo Takeda, Yasuhiro Tokura

    9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids 

    Presentation date： 2016.08

  • Resonant interstate transition by oscillating Rashba spin-orbit interaction in two-dimensional quantum dot

    Masashi Inui, Tatsuki Tojo, Naoya Matsumoto, Kyozaburo Takeda

    9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids 

    Presentation date： 2016.08

  • Theoritical study of Rashba spin-orbit interaction coupled with an external magnetic field in two-dimensional quantum dot

    Kyozaburo takeda, Tatsuki Tojo, Masashi Inui

    9th International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids 

    Presentation date： 2016.08

  • π Quantization in the Berry Phase by the Multiple Degenerate Points

    Fuka Watanabe, Keijiro Hirata, Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    2023 MRS Fall Meeting & Exhibit 

    Presentation date： 2023.11

    Event date：
    2023.11
    -
    2023.12

  • Rashba-field-driven Larmor precession of Holes confined in Diamond Quantum Well System

    Shuhei Nakazawa, Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    29th International Conference on Low Temperature Physics 

    Presentation date： 2022.08

    Event date：
    2022.08
    　
    　

  • Berry Curvatures and Phases for the Multi-Subband System

    Katsumi Sato, Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    29th International Conference on Low Temperature Physics 

    Presentation date： 2022.08

    Event date：
    2022.08
    　
    　

  • Selective Extraction of Electron Charge and Spin by Spin-Orbit Interaction in a Quantum Dot - Quantum Wire Coupled System

    Masakazu Muraguchi, Tatsuki Tojo, Kyozaburo Takeda

    International Conference on the Physics of Semiconductors 2022 

    Presentation date： 2022.06

    Event date：
    2022.06
    　
    　

  • RashbaおよびDresselhausスピン–軌道相互作用が共存するSiGe量子井戸内正孔のHall伝導度

    東条 樹, 武田 京三郎

    日本物理学会第77回年次大会（2022年） 

    Presentation date： 2022.03

  • 価電子帯内サブバンド間相互作用と正孔Berry位相の非可換性

    東条 樹, 武田 京三郎

    日本物理学会 2021年秋季大会 

    Presentation date： 2021.09

  • RashbaおよびDresselhausスピン軌道相互作用競合下のSiGe量子井戸に閉じ込められた3種正孔のスピンテクスチャとBerry位相

    東条樹, 武田京三郎

    日本物理学会 第76回年次大会(2021年) 

    Presentation date： 2021.03

  • 代表的面方位を有するSi量子井戸内正孔におけるスピン・軌道相互作用とBerry曲率

    中澤周平, 佐藤克, 東条樹, 武田京三郎

    日本物理学会 第76回年次大会(2021年) 

    Presentation date： 2021.03

  • RashbaおよびDresselhausスピン軌道相互作用共存下のSiGe量子井戸内正孔におけるスピンテクスチャおよびBerry曲率

    東条樹, 武田京三郎

    日本物理学会 2020年秋季大会 

    Presentation date： 2020.09

  • Si二次元量子井戸に閉じ込められた正孔に対するスピン・軌道相互作用の面方位依存性

    佐藤克, 中澤周平, 東条樹, 武田京三郎

    日本物理学会 2020年秋季大会 

    Presentation date： 2020.09

  • SiGe量子二次元系内正孔のRashbaおよびDresselhausスピン・軌道相互作用とLarmor歳差運動

    東条樹, 武田京三郎

    日本物理学会第75回年次大会（2020年） 

    Presentation date： 2020.04

  • Si二次元量子井戸内正孔のスピン・軌道相互作用:Larmor歳差運動の量子面方位依存性

    武田京三郎, 東条樹, 坂口淳, 横山順司

    日本物理学会第75回年次大会（2020年） 

    Presentation date： 2020.04

  • Rashba外場により変調されたIV族半導体量子二次元系における正孔間相互作用とスピン歳差II

    東条 樹, 武田 京三郎

    日本物理学会 2019年秋季大会 

    Presentation date： 2019.09

  • SiGe混晶量子二次元系における価電子帯上端近傍の電子構造 -BIA項によるバンド変調-

    武田京三郎, 鶴田航世, 東条樹

    日本物理学会 第74回年次大会 

    Presentation date： 2019.03

  • Rashba外場により変調されたIV族半導体量子二次元系における正孔間相互作用とスピン歳差

    東条樹, 武田京三郎

    日本物理学会 第74回年次大会 

    Presentation date： 2019.03

  • Rashba外場により変調されたIV族半導体量子二次元系内正孔のスピン歳差運動

    東条 樹, 武田 京三郎

    日本物理学会2018年秋季大会 

    Presentation date： 2018.09

  • IV族半導体量子二次元系における価電子帯上端近傍の電子構造 -SOIによる分散変調-

    東条樹, 高橋由弦, 武田京三郎

    日本物理学会2017年秋季大会 

    Presentation date： 2017.09

  • 二次元量子場におけるRashbaおよびDresselhausスピン軌道相互作用

    東条 樹, 武田 京三郎, 都倉 康弘

    日本物理学会 第72回年次大会 

    Presentation date： 2017.03

  • 弱磁場印加二次元量子場内Rashbaスピン軌道相互作用

    武田 京三郎, 東条 樹

    日本物理学会2016年秋季大会 

    Presentation date： 2016.09

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Research Projects

  • スピン・軌道相互作用により変調された半導体量子閉じ込め場中正孔のスピンテクスチャ

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特別研究員奨励費

    Project Year :

    2020.04
    -
    2022.03
     

    東条 樹

    　View Summary

    令和2年度において、我々は(001)面二次元二元合金量子井戸系のポテンシャルを対称性に基づいて分解し、内因性スピン・軌道相互作用（SOI）およびDresselhaus-SOIの定式化に成功した。この定式化をもとに拡張k・p摂動論を適用し、得られた固有状態をもとに有効磁場およびスピンテクスチャを算出した。結果として、構造反転非対称性（SIA）およびバルク反転非対称性（BIA）の共存による系の回転対称性の低下、および系の鏡映対称性による特定領域におけるスピン・運動量ロッキングの表出を見出した。さらに我々は重い正孔（HH）の固有状態からBerry曲率を算出し、対の定理の成立を示すことに成功し、加えてRashba-SOIによるトポロジカル相転移の表出を見出した。このBerry曲率をもとにBerry位相のエネルギー依存性を算出し、そのステップ性および2π単位の量子化を明らかにした。加えてこのエネルギー依存性を熱平均することで、Berry位相の温度依存性を算出し、分布関数の指数関数的減衰の効果による平滑化効果を見出した。これらの特徴的なBerry位相をより簡便に統一的に記述すべく、『カウンティングモデル』を提案した。一方、量子面方位依存性については、令和元年度までに明らかにした(001)量子面に対する摂動行列をもとに、unitary変換を介して(110)、(111)量子面に対する摂動行列を導出し、有効磁場およびスピンテクスチャの算出に成功した。加えて、Berry曲率を算出し、各面方位におけるk-1次項の効果の特徴を明らかにした。令和2年度ではこれらの内容をもとに、2本の査読付き英語論文の発表、ならびに国内3件および国際2件の学会発表を行った。

 

Internal Special Research Projects

  • スピン-軌道相互作用による半導体中正孔のスピン変調の量子論理ゲート解析

    2023   武田　京三郎

    　View Summary

    本研究課題では、空間反転非対称性を有する半導体二次元量子井戸(2DQW)内正孔に注目し、この正孔が有するスピン構造および位相幾何構造を検討した。以下、研究成果の詳細について述べる。空間反転非対称性を有する半導体2DQW内正孔は、強いサブバンド間相互作用とスピン-軌道相互作用(SOI)が生じる。これらの協奏により、Γ点近傍において複数の縮退点が現れる。我々はこの複数縮退点に注目し、これらによるスピンおよび位相幾何構造への変調効果を検討した。この変調効果を抽出するため、我々は複数縮退を表すモデルハミルトニアンを構築し、電子構造とスピンテクスチャを算出し、縮退点間の競合効果によるスピン-運動量ロッキングの破れを見出した。位相幾何構造については、これら縮退点近傍において特徴的なBerry曲率が出現し、Berry位相のエネルギー依存性に特徴的なπ-量子化をもたらすことが明らかとなった。本内容に関連し、3報の論文発表[P3-5]および1回の国際学会発表[C6]を行った。さらに、これら縮退点近傍においては軌道混成に伴う強い非断熱性が生じ、Berry位相に非可換性が表れる。この非可換性に注目し、位相幾何構造に与える影響を議論した。我々はこの非可換性を取り入れた非可換Berry位相行列の定式化に成功し、これをSiGe 2DQW内重い正孔に適用した。縮退点の近傍では、非断熱性がBerry位相行列の非対角成分に表れる。これにより、Berry位相のπ-量子化が変調され、エネルギー依存性に不連続性が引き起こされることを見出した。さらに、非可換Berry位相は行列順序積により記述されるため、これを量子論理ゲートに置き換え、物理現象の新しい描像を与えることに成功した。本内容に関連し、2報の論文発表[P1,2]および5回の国際学会発表[C1-5]を行った。

  • ダイヤモンド量子構造内正孔のRashbaスピン–軌道相互作用によるスピン変調

    2022   武田　京三郎

    　View Summary

    本研究課題では、ダイヤモンド二次元量子井戸における三種正孔に注目し、Rashbaスピン－軌道相互作用(SOI)により発現するスピン構造および位相幾何構造を理論的に解析した。ダイヤモンドにおいては価電子帯の低エネルギー領域においてSOIと二次元量子化の作用が競合することで、Γ点近傍に擬縮退点が複数出現し、これらの点に由来した特徴的な有効磁場とスピンテクスチャ、およびπで量子化されたBerry位相が出現することが見出された。さらに我々はスピン流に注目し、このエネルギー依存性に多段plateau構造および窪み構造を見出した。本研究に関連し、査読付き論文を4報執筆し、国際会議にて6件の発表を行った。