磁気構造のトポロジー制御による電子機能物性の開拓

• Project/Area Number: 18J20959
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Condensed matter physics II
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 藤代 有絵子 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: トポロジー / 磁気構造 / カイラル磁性体 / 異常ホール効果 / スキュー散乱 / 薄膜 / 高圧合成 / 半金属 / スキルミオン / ヘッジホッグ / 磁気相転移 / ワイル電子 / スピン軌道相互作用 / 熱電効果

Outline of Annual Research Achievements

当該年度においては以下の3つの成果についての総まとめ・論文投稿を行った。一つ目は、カイラル磁性体MnGeにおける巨大異常ホール効果の発見である。MnGeの高品質薄膜において強磁場下での電気伝導測定を行い、ヘッジホッグ格子やらせん磁気構造が消失する強磁性転移近傍において、従来の内因的・外因的異常ホール効果では説明のできない巨大な異常ホール効果（ホール伝導度40,000 Ω-1cm-1、ホール角18 %）を観測した。さらに詳しい温度・磁場依存性や膜厚依存性を調査することで、観測されたホール効果が非共面スピン集団の熱励起による新しいスキュー散乱機構によって説明できることを実証した。二つ目は、超高圧合成によるIrSiの新規相の発見である。25 GPa以上の超高圧合成により、これまで報告されていなかったmonoclinic相を発見し、第一原理計算から巨大な表面ラシュバ分裂を示す半金属であることを見出した。一方、理論予測されていたB20型構造は、少なくとも48 GPaまでは出現しないことが明らかになった。3つ目の成果は、磁性ワイル半金属Co3Sn2S2の薄片作製と、高移動度電子・巨大異常ホール効果の観測である。世界に先駆けて化学輸送法を用いた高品質な薄片作製の方法を確立し、バルク結晶にはみられなかった特異な性質を観測した。今後さらに薄い薄片試料の作製を行うことで、高温量子異常ホール効果の実現も期待できる。したがって、本特別研究員の研究進捗状況においては、期待以上の進展があったと考えられる。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Giant anomalous Hall effect from spin-chirality scattering in a chiral magnet (2021)
  • Author(s): Fujishiro Yukako、Kanazawa Naoya、Kurihara Ryosuke、Ishizuka Hiroaki、Hori Tomohiro、Yasin Fehmi Sami、Yu Xiuzhen、Tsukazaki Atsushi、Ichikawa Masakazu、Kawasaki Masashi、Nagaosa Naoto、Tokunaga Masashi、Tokura Yoshinori
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 317-317
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20384-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Monoclinic semimetal IrSi synthesized under high pressure above 25 GPa: Crystal structure, electronic, and magnetic properties (2020)
  • Author(s): Fujishiro Y.、Kanazawa N.、Shinmei T.、Nishi M.、Nakajima T.、Arima T.、Hashizume D.、Bahramy M. S.、Irifune T.、Tokura Y.
  • Journal Title: Physical Review Materials Volume: 4 Issue: 5 Pages: 055002-055002
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.4.055002
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Topological Kagome Magnet Co3Sn2S2 Thin Flakes with High Electron Mobility and Large Anomalous Hall Effect (2020)
  • Author(s): Tanaka M.、Fujishiro Y.、Mogi M.、Kaneko Y.、Yokosawa T.、Kanazawa N.、Minami S.、Koretsune T.、Arita R.、Tarucha S.、Yamamoto M.、Tokura Y.
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 20 Issue: 10 Pages: 7476-7481
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02962
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Giant magneto-optical responses in magnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2 (2020)
  • Author(s): Okamura Y.、Minami S.、Kato Y.、Fujishiro Y.、Kaneko Y.、Ikeda J.、Muramoto J.、Kaneko R.、Ueda K.、Kocsis V.、Kanazawa N.、Taguchi Y.、Koretsune T.、Fujiwara K.、Tsukazaki A.、Arita R.、Tokura Y.、Takahashi Y.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1038/s41467-020-18470-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Engineering skyrmions and emergent monopoles in topological spin crystals (2020)
  • Author(s): Y. Fujishiro, N. Kanazawa, and Y. Tokura
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 116 Issue: 9 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1063/1.5139488
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Topological transitions among skyrmion- and hedgehog-lattice states in cubic chiral magnets (2019)
  • Author(s): Y. Fujishiro, N. Kanazawa, T. Nakajima, X. Z. Yu, K. Ohishi, Y. Kawamura, K. Kakurai, T. Arima, H. Mitamura, A. Miyake, K. Akiba, M. Tokunaga, A. Matsuo, K. Kindo, T. Koretsune, R. Arita, Y. Tokura
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Issue: 1 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1038/s41467-019-08985-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 超高圧合成による新規イリジウムシリコン化合物の開拓とその巨大スピン軌道物性 (2020)
  • Author(s): 藤代有絵子
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] 磁性ワイル半金属Co3Sn2S2薄片における巨大異常ホール効果と高移動度電子の観測 (2020)
  • Author(s): 藤代有絵子
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] カイラル磁性体における多彩なトポロジカル磁気構造と創発輸送現象 (2019)
  • Author(s): 藤代有絵子, 金澤直也, 十倉好紀
  • Organizer: 第29回日本MRS年次大会
  • Invited
• [Presentation] Emergent transport phenomena in topological spin textures revealed by high magnetic field measurements (2019)
  • Author(s): Y. Fujishiro, N. Kanazawa, and Y. Tokura
  • Organizer: The International Conference on Magneto-Science 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Giant anomalous Hall effect from spin-chirality scattering in a chiral magnet (2019)
  • Author(s): Y. Fujishiro, N. Kanazawa, R. Kurihara, A. Tsukazaki, M. Ichikawa, M. Kawasaki, M. Tokunaga and Y. Tokura
  • Organizer: International Conference on Topological Materials Science 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Scattering-induced huge anomalous Hall effect in MnGe thin film (2019)
  • Author(s): Y. Fujishiro, N. Kanazawa, R. Kurihara, A. Tsukazaki, M. Ichikawa, M. Kawasaki, M. Tokunaga and Y. Tokura
  • Organizer: CEMS Symposium on Emergent Quantum Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MnGe薄膜におけるスピン・カイラリティに由来するスキュー散乱と巨大異常ホール効果 (2019)
  • Author(s): 藤代有絵子、金澤直也, 栗原綾佑, 塚崎敦, 市川昌和, 川崎雅司, 徳永将史, 十倉好紀
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] ransitions of topological spin textures between skyrmion- and hedgehog-lattice states in cubic chiral magnets MnSi1-xGex (2019)
  • Author(s): Y. Fujishiro, N. Kanazawa, T. Nakajima, X. Z. Yu, K. Oishi, Y. Kawamura, K. Kakurai, T. Arima, H. Mitamura, A. Miyake, K. Akiba, M. Tokunaga, A. Matsuo, K. Kindo, T. Koretsune, R. Arita and Y. Tokura
  • Organizer: 第4回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
• [Presentation] ransitions of topological spin textures between skyrmion- and hedgehog-lattice states in cubic chiral magnets MnSi1-xGex (2019)
  • Author(s): Y. Fujishiro, N. Kanazawa, T. Nakajima, X. Z. Yu, K. Oishi, Y. Kawamura, K. Kakurai, T. Arima, H. Mitamura, A. Miyake, K. Akiba, M. Tokunaga, A. Matsuo, K. Kindo, T. Koretsune, R. Arita and Y. Tokura
  • Organizer: Topological Phases and Functionality of Correlated Electron Systems 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transitions between skyrmion- and hedgehog-lattice states in cubic chiral magnets MnSi1-xGex (2019)
  • Author(s): Y. Fujishiro, N. Kanazawa, T. Nakajima, X. Z. Yu, K. Oishi, Y. Kawamura, K. Kakurai, T. Arima, H. Mitamura, A. Miyake, K. Akiba, M. Tokunaga, A. Matsuo, K. Kindo, T. Koretsune, R. Arita and Y. Tokura
  • Organizer: APS March Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カイラル磁性体MnSi1-xGexにおける多彩なトポロジカル磁気相と創発輸送現象 (2018)
  • Author(s): 藤代有絵子、金澤直也, 中島多朗, 于秀珍, 大石一城, 河村幸彦, 加倉井和久, 有馬孝尚, 三田村裕幸, 三宅厚志, 秋葉和人, 徳永将史, 松尾晶, 金道浩一, 是常隆, 有田亮太郎, 十倉好紀
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会