2019 Fiscal Year Annual Research Report
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19H00650
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
中辻 知 東京大学, 物性研究所, 教授 (70362431)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松永 隆佑 東京大学, 物性研究所, 准教授 (50615309)
是常 隆 東北大学, 理学研究科, 准教授 (90391953)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | トポロジー / ワイル半金属 / ラッティンジャー半金属 / フラストレート磁性 / 異常ホール効果 / 異常ネルンスト効果 / 磁気光学カー効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
強相関電子系において実現したトポロジカルな量子相「ワイル磁性体」は、トポロジーによって保護されたワイルノードに由来した巨大な異常ホール効果などの新しい量子機能を提供する革新的な物質群として注目を集めている。我々は、世界に先駆けて開発したワイル磁性体に着目し、電気磁気応答を決める電子相関、乱れ、量子相転移、界面等の効果について研究を推進している。本年度は電気磁気応答の発現機構の解明と、新規スピントロニクス機能の創出を目的としたワイル金属状態の制御に関する学理構築に注力して研究を行った。
異常ネルンスト効果などの複雑な物理量は計算に膨大な時間を要するため多くの物質を対象とした理論的予測が困難だった。そこで、理論グループと共同でハイスループット第一原理計算による物性予測を行い、新規トポロジカル磁性体Fe3GaとFe3Alを見出した。バルク・薄膜試料を作製し、物性測定を行った結果、室温で過去最大値に匹敵する巨大異常ネルンスト効果を観測した。ノーダルウェブという新規なトポロジカル電子構造の発見は、トポロジカル材料探索の指針となる。また、鉄やアルミなどの廉価な材料での熱電デバイス作製が可能となるため、応用へとつながるブレークスルーとなった。
また、THz光を用いた光学測定により、ワイル半金属Mn3Snにおける室温かつゼロ磁場で現れる巨大な異常ホール効果が内因性機構、つまり、ベリー曲率に由来したものであることを明らかにした。さらに、Mn3Snと巨大なスピンホール効果を示す重金属との二層膜を用いて、ワイルノードに由来した異常ホール効果を電気的に制御することに世界で初めて成功した。この結果は、ワイル粒子の作る巨大電圧信号を利用した不揮発性メモリ素子の原理の提案とその検証実験に成功したと言える。
上記の成果は、いずれもトポロジカル磁性体の学理構築に大きく寄与する結果である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
上述のように、我々はワイル磁性体に着目し、その電気磁気応答を決める電子相関、乱れ、界面等の効果について研究を推進している。本年度は応答の発現機構の解明と、新しいスピントロニクス機能の創出を目的としたワイル金属状態の制御に関する学理構築に注力して研究を行った。(i)ハイスループットな計算手法を用いた巨大な異常ネルンスト効果を示す物質の予測と室温で過去最大値に匹敵する巨大異常ネルンスト効果を示すノーダルウェブ半金属Fe3Ga、Fe3Alの開発に成功した。異常ネルンスト効果の増強にはベリー曲率と状態密度を同時に大きくすることが重要であることはわかっていたが、ノーダルウェブという条件に合致した新規トポロジカル電子構造の発見は、トポロジカル磁性体における学理構築だけでなく、近年注目を集めているエナジーハーヴェスティング分野へ大きな波及効果をもたらした。ワイル反強磁性体の研究は主にバルク単結晶を用いて行われてきたが、我々は純良なMn3Sn薄膜試料の作製にも成功した。(ii)この薄膜を用いて透過THz光の偏光回転実験を行った結果、ベリー曲率に由来した異常ホール効果が生じていることが分かり、トポロジカルな電子構造の重要性を改めて明らかにした。(iii)また、重金属との界面で生じるスピン軌道トルクを用いてMn3Sn薄膜の反強磁性秩序の電気的制御を行いこれに成功した。反強磁性秩序の反転に伴って、巨大な異常ホール効果も反転していることから、その起源であるワイルノードの分散状態も併せて反転していることが明らかになった。これまでワイルノードを磁場で制御した例はあるものの、電気的に制御した例は本研究が初めてである。今回用いた制御手法は、強磁性体のメモリで一般的に用いているものと同様であり、反強磁性体のメモリ開発を行う上でも非常に有益な成果である。
上記の3つの成果は、その波及効果が認められNature[(i)と(iii)]とその姉妹紙[(ii)]に掲載された。
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| Strategy for Future Research Activity |
我々が本年度発見したノーダルウェブ半金属のように、電子構造のトポロジーに由来した新規な量子機能の発現は既知のトポロジカル量子相(ディラック・ワイル(半)金属)に限られない。より多彩な電気磁気応答を観測するために、理論と実験双方からのアプローチをし、引き続き新規トポロジカル磁性体やその量子機能の開拓を進めていく。
本研究で発見したFe3Xは、巨大な異常ネルンスト効果を示す一方で、鉄やアルミなどの豊富で廉価な材料でデバイスを構成できることから、今後の熱電応用へ発展していくことが期待される。熱電応答に関する新規デバイス機能の開拓を目的として、薄膜化や微細加工を用いて熱電デバイスを作製していく。
また、ワイル反強磁性体Mn3Snの異常ホール効果の電気的制御は、近年注目が集まっている反強磁性スピントロニクスの発展につながることが期待される。反強磁性体では、強磁性体では実現不可能なTHz帯(1 ps)での信号の制御が可能となることが期待されてきた。Mn3Snでは重金属の界面において生じるスピン軌道トルクにより反強磁性秩序の制御が可能であるため、これまで理論的に期待されていたものの実現が困難であったTHz発振素子や超高速磁化反転等の実現につながる研究を推進する。
さらに、THzに関連した実験として、光ポンプとTHz光偏光回転実験を組み合わせて、電子温度の制御による光磁気応答に関する研究を行う。本実験ではフェルミ面近傍のトポロジカル電子構造に由来した物性の測定が期待できる。
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[Journal Article] Wannier90 as a community code: new features and applications2020
Author(s)
G. Pizzi, V. Vitale, R. Arita, S. Blugel, F. Freimuth, G. Geranton, M. Gibertini, D. Gresch, C. Johnson, T. Koretsune., etc
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Journal Title
Journal of Physics: Condensed Matter
Volume: 32
Pages: 165902/1-25
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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