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Study of quantum transport phenomena in Dirac magnets with spontaneous magnetisation

Research Project

Project/Area Number 19H01851
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

Sakai Hideaki  大阪大学, 理学研究科, 准教授 (20534598)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2019: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
Keywords磁性ディラック半金属 / 自発磁化 / 異常ホール効果 / スピン・バレー結合 / ワイル磁性体 / 異常ネルンスト効果 / ディラック半金属 / 強磁性体 / 極性金属 / ディラック電子系 / トポロジカル磁性体 / ディラック電子 / 量子ホール効果 / 強相関電子系 / ベリー位相
Outline of Research at the Start

トポロジカルな電子状態を有する磁性体は、革新的スピントロニクス応用が期待でき注目を集めている。これに対し近年、申請者は多層ディラック電子系磁性体を開拓し、超高移動度のディラック電子を磁化で制御することにより、特異な磁気抵抗効果やホール効果を実証した。しかし、従来物質はすべて反強磁性体であった。そこで本研究では、多層ディラック電子系強磁性体を創製し、ゼロ磁場での異常磁気伝導を実現することを目的とする。多彩な合成法を駆使することにより、既存の系に対し元素置換を行い、自発磁化の巨大化や強磁性化を目指す。これにより、自発磁化と量子伝導が結合する強相関トポロジカル現象を新規開拓する。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we have explored novel (weak) ferromagnetic layered Dirac materials, where quantum transport phenomena can be controlled by spontaneous magnetization. In BaMnX2, which exhibits weak ferromagnetism due to the canted Mn spins, we found that the X square lattice is slightly distorted and in-plane polarity is generated. This distortion induces not only spontaneous magnetization but also spin-valley locking of the Dirac electrons via the spin-orbit interactions. This peculiar electronic state results in unconventional magnetotransport phenomena at weak magnetic fields. In the antiferromagnet EuMnBi2 exhibiting strong coupling to magnetism, we have demonstrated that the spontaneous magnetization and Fermi energy can be systematically controlled by partially substituting Eu ions with other rare earth ions.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本系の弱強磁性(スピンのキャント)の要因が、極性をもつ格子歪みであることを突き止めた結果、スピンと運動量がロックしたディラック電子が実現していることを解明できた点は、当初の予想外であり、学術的に重要な発見となった。さらに、この特異な電子状態と自発磁化の結合に起因すると思われる新しいホール効果やネルンスト効果の兆候を観測できた点は、将来のデバイス応用に向けて重要な成果である。また、系統的なキャリア濃度制御に成功し、熱電・熱磁気発電の最適化を実証した点は、磁性との強い結合と高移動度が両立する本物質系は、幅広い応用用途が期待できることを示す結果となった。

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (56 results)

All 2022 2021 2020 2019 Other

All Journal Article (20 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 17 results,  Open Access: 6 results) Presentation (34 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 10 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Magnetic Generation and Switching of Topological Quantum Phases in a Trivial Semimetal α-EuP32022

    • Author(s)
      Mayo Alex Hiro、Takahashi Hidefumi、Bahramy Mohammad Saeed、Nomoto Atsuro、Sakai Hideaki、Ishiwata Shintaro
    • Journal Title

      Physical Review X

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 011033-011033

    • DOI

      10.1103/physrevx.12.011033

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    • Author(s)
      酒井英明
    • Journal Title

      Butsuri

      Volume: 76 Issue: 11 Pages: 729-734

    • DOI

      10.11316/butsuri.76.11_729

    • NAID

      130008113827

    • ISSN
      0029-0181, 2423-8872
    • Year and Date
      2021-11-05
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    • Author(s)
      U. Widyaiswari, H. Sakai, N. Hanasaki, B. Kurniawan, I. Watanabe
    • Journal Title

      Materials Science Forum

      Volume: 1028 Pages: 3-8

    • DOI

      10.4028/www.scientific.net/msf.1028.3

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    • Author(s)
      K. Tsuruda, K. Nakagawa, M. Ochi, K. Kuroki, M. Tokunaga, H. Murakawa, N. Hanasaki, and H. Sakai
    • Journal Title

      Adv. Funct. Mater.

      Volume: - Issue: 29 Pages: 2102275-2102275

    • DOI

      10.1002/adfm.202102275

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      M. Kondo, M. Ochi, T. Kojima, R. Kurihara, D. Sekine, M. Matsubara, A. Miyake, M. Tokunaga, K. Kuroki, H. Murakawa, N. Hanasaki, and H. Sakai
    • Journal Title

      Commun. Mater.

      Volume: - Issue: 1 Pages: 49-49

    • DOI

      10.1038/s43246-021-00152-z

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    • Author(s)
      Nishiyama H.、Sakai H.、Nakagawa K.、Hanasaki N.、Ishiwata S.、Masuda H.、Ochi M.、Kuroki K.、Iguchi S.、Sasaki T.、Ikemoto Y.、Moriwaki T.、Ueda K.、Tokura Y.、Fujioka J.
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 104 Issue: 11 Pages: 115111-115111

    • DOI

      10.1103/physrevb.104.115111

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    • Author(s)
      H. Sakai
    • Journal Title

      JPSJ News Comments

      Volume: 18 Pages: 14-14

    • DOI

      10.7566/jpsjnc.18.14

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      Hanasaki N.、Oda M.、Niitsu K.、Ehara K.、Murakawa H.、Sakai H.、Nitani H.、Abe H.、Sagayama H.、Uetsuka H.、Karube T.、Inui H.
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 11 Issue: 12 Pages: 125216-125216

    • DOI

      10.1063/5.0072766

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      H. Masuda, H. Sakai, H. Takahashi, Y. Yamasaki, A. Nakao, T. Moyoshi, H. Nakao, Y. Murakami, T. Arima, S. Ishiwata
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 101 Issue: 17 Pages: 174411-174411

    • DOI

      10.1103/physrevb.101.174411

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      Mitsuishi N.、Sugita Y.、Bahramy M. S.、Kamitani M.、Sonobe T.、Sakano M.、Shimojima T.、Takahashi H.、Sakai H.、Horiba K.、Kumigashira H.、Taguchi K.、Miyamoto K.、Okuda T.、Ishiwata S.、Motome Y.、Ishizaka K.
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 24661-9

    • DOI

      10.1038/s41467-020-16290-w

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      A. Nakamura, T. Shimojima, Y. Chiashi, M. Kamitani, H. Sakai, S. Ishiwata, H. Li, and K. Ishizaka
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      Nano Letters

      Volume: 20 Issue: 7 Pages: 4932-4938

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.0c01006

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      Okuyama D.、Yamauchi K.、Sakai H.、Taguchi Y.、Tokura Y.、Sugimoto K.、Sato T. J.、Oguchi T.
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 2 Issue: 3 Pages: 033038-033038

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.2.033038

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      U. Widyaiswari, H. Sakai, K. Inoue, N. Hanasaki, D. P. Sari, B. Kurniawan, I. Watanabe
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      Key Engineering Materials

      Volume: 860 Pages: 288-293

    • DOI

      10.4028/www.scientific.net/kem.860.288

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      K. Yokoi, M. Yashima, H. Murakawa, H. Mukuda, K. Yamauchi, T. Oguchi, H. Sakai, and N. Hanasaki
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      Volume: 102 Issue: 21 Pages: 214504-214504

    • DOI

      10.1103/physrevb.102.214504

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      H. Sakai, H. Fujimura, S. Sakuragi, M. Ochi, R. Kurihara, A. Miyake, M. Tokunaga, T. Kojima, D. Hashizume, T. Muro, K. Kuroda, Takeshi Kondo, T. Kida, M. Hagiwara, K. Kuroki, M. Kondo, K. Tsuruda, H. Murakawa, and N. Hanasaki
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      Phys. Rev. B (Rapid Commun.)

      Volume: 101 Issue: 8

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      10.1103/physrevb.101.081104

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      M. Komada, H. Murakawa, M. S. Bahramy, T. Kida, K. Yokoi, Y. Narumi, K. Kindo, M. Hagiwara, H. Sakai, and N. Hanasaki
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      Volume: 101 Issue: 4 Pages: 045135-6

    • DOI

      10.1103/physrevb.101.045135

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    • Author(s)
      M. Kondo, H. Sakai, M. Komada, H. Murakawa, and N. Hanasaki)
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      JPS Conf. Proc.

      Volume: 30 Pages: 011016-011016

    • DOI

      10.7566/jpscp.30.011016

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      生産と技術(生産技術振興協会) 1 月号

      Volume: 72 Pages: 91-93

    • NAID

      40022119163

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      Physical Review Letters

      Volume: 122 Issue: 22 Pages: 226601-226601

    • DOI

      10.1103/physrevlett.122.226601

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      Volume: 28 Pages: 20-24

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Published: 2019-04-18   Modified: 2023-01-30  

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