Design of high performance thermoelectric material in topological magnets

• Project/Area Number: 22K14587
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 29010:Applied physical properties-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 見波 将 京都大学, 工学研究科, 助教 (10876840)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 熱電効果 / 異常ネルンスト効果 / 異常ホール効果 / トポロジカル磁性体 / ベリー位相 / 第一原理計算

Outline of Research at the Start

近年、新たな環境発電技術として異常ネルンスト効果が注目されている。異常ネルンスト効果は物質中の自発的な磁化により生じる熱電効果である。その起源の一つは物質中の電子波動関数のトポロジーにより特徴づけられるが、具体的な材料設計の指針を得るには至っていない。本研究ではトポロジカル磁性体に注目し第一原理計算による系統的な異常ネルンスト効果の評価を行い、環境発電デバイスへ応用可能な磁性材料の探索とその起源の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、異常ネルンスト効果を活用した環境発電デバイスの実現を目指し、巨大な異常ネルンスト効果を発現する磁性体の探索とその発現機構を解明することを目標としている。本年度は材料探索の範囲を典型的な磁性材料から二次元系へ材料探索の範囲を拡大し、ファンデルワールス結晶などを対象とした、磁性に由来する電子状態や量子輸送現象の解析を第一原理計算により行った。強磁性ファンデルワールス半金属であるFe3GeTe2において、異常ホール効果がフェルミエネルギーの下に沈んでいるフラットバンドに由来する状態密度の発散により増大されることが明らかとなった。組成の調整によりフェルミエネルギーを調整することで大きな異常ネルンスト効果が実現できる可能性が示唆された。
また、異常ホール効果を効率的に計算できるプログラムも新たに実装した。従来では第一原理計算で得られた波動関数を実空間上の原子軌道へ射影するプロセスが必要となり、これが計算機上でのボトルネックとなっていた。新たに実装したプログラムではこれらのプロセスを介さず異常ホール効果や異常ネルンスト効果が計算可能となり、より、大きな系や複雑な磁気構造への適応が可能となった。
今後は反強磁性相などの準安定状態における量子輸送現象の系統的な解析に取り組む予定である。また、格子ひずみや不純物の効果による量子輸送現象の応答や磁気構造の熱的安定性などのより工学的な課題にも取り組む予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

典型的な磁性材料から二次元系へ材料探索の範囲を拡大し、異常ネルンスト効果の評価とその起源の解明を第一原理計算を用いて継続的に進めている。強磁性ファンデルワールス半金属であるFe3GeTe2において、巨大な磁気光学応答が観測された。第一原理計算による詳細な電子状態の解析の結果、実験的に観測された磁気光学応答のピークが、フェルミエネルギーの下に沈んでいるフラットバンドに由来する状態密度の発散に起源があることが明らかとなった。類似した系として、磁性元素をドープした遷移金属ダイカルコゲナイドCoNb3S6において反強磁性であるにも関わらず巨大な異常ホール効果が観測された。第一原理計算によりその電子状態の解析を報告した。また、異常ホール効果を効率的に計算できるプログラムも新たに実装し、従来の計算手法よりも効率的に計算が可能になること報告した。

Strategy for Future Research Activity

今後は新たに実装した計算手法を活用し、より大きな系や複雑な磁気構造での異常ネルンスト効果の解析に取り組む予定である。また、格子ひずみや不純物の効果による量子輸送現象の応答や磁気構造の熱的安定性などのより工学的な課題にも取り組む予定である。

Research Products

• [Journal Article] First-principles calculation of anomalous Hall and Nernst conductivity by local Berry phase (2023)
  • Author(s): H. Sawahata, N. Yamaguchi, S. Minami, and F. Ishii
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Issue: 2 Pages: 024404-024404
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.024404
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Maximizing intrinsic anomalous Hall effect by controlling the Fermi level in simple Weyl semimetal films (2022)
  • Author(s): Mizuki Ohno, Susumu Minami, Yusuke Nakazawa, Shin Sato, Markus Kriener, Ryotaro Arita, Masashi Kawasaki, Masaki Uchida
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 20
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.l201101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical anomalous Hall effect enhanced by flat bands in ferromagnetic van der Waals semimetal (2022)
  • Author(s): Kato Yoshihiro D.、Okamura Yoshihiro、Minami Susumu、Fujimura Reika、Mogi Masataka、Yoshimi Ryutaro、Tsukazaki Atsushi、Takahashi Kei S.、Kawasaki Masashi、Arita Ryotaro、Tokura Yoshinori、Takahashi Youtarou
  • Journal Title: npj Quantum Materials Volume: 7 Issue: 1 Pages: 731-737
  • DOI: 10.1038/s41535-022-00482-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Giant and Robust Anomalous Nernst Effect in a Polycrystalline Topological Ferromagnet at Room Temperature (2022)
  • Author(s): Feng Zili、Minami Susumu、Akamatsu Shuhei、Sakai Akito、Chen Taishi、Nishio‐Hamane Daisuke、Nakatsuji Satoru
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 32 Issue: 49 Pages: 2206519-2206519
  • DOI: 10.1002/adfm.202206519
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 低温異常ネルンスト効果測定による磁気トポロジカル状態の検証 (2023)
  • Author(s): 中村紘人, 小池祐樹, 見波将, 冨田崇弘, 小池美夏, M. Y. P. Akbar, A. A. Nugroho, 町田洋, 中辻知
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Large anomalous Nernst effect in the iron-based Kagome ferromagnet Fe3Sn (2022)
  • Author(s): Susumu Minami, Akito Sakai, Taishi Chen, Yangming Wang, Zili Feng, Takuya Nomoto, Motoaki Hirayama, Rieko Ishii, Takashi Koretsune, Ryotaro Arita, Satoru Nakatsuji
  • Organizer: The 15th Asia Pacific Physics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Logarithmic criticality in the transverse thermoelectric conductivity of the ferromagnetic topological semimetal CoMnSb (2022)
  • Author(s): Hiroto Nakamura, Susumu Minami, Takahiro Tomita, Agustinus Agung Nugroho, Satoru Nakatsuji
  • Organizer: The 15th Asia Pacific Physics Conference
  • Int'l Joint Research