2020 Fiscal Year Annual Research Report
Study of quantum transport phenomena in Dirac magnets with spontaneous magnetisation
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19H01851
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
酒井 英明 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (20534598)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ディラック半金属 / 強磁性体 / 極性金属 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、磁性層とディラック電子層が積層した層状磁性体を対象に、ディラック電子の量子輸送現象を物質中の自発磁化で制御することを目指す。本年度の成果を以下にまとめる。
(1) BaMnX2系の自発磁化と極性歪み関係解明
BaMnX2では、X正方格子がわずかにジグザグ型に歪むことにより、面内方向に極性を有する。この極性歪みと本系の弱強磁性や自発磁化の詳細な関係は不明であったが、本年度は単一ドメイン試料を準備することに成功した。この結果、極性に垂直方向と平行方向の磁化を測定することができ、Mnスピンは極性と平行方向にキャントし、自発磁化が発現していることを明らかにした。この結果、ジャロシンスキー・守谷相互作用によりMn磁化がキャントしていることが説明できることが明らかとなった。
(2) EuMnBi2の反強磁性秩序の詳細解明とフェルミエネルギー制御
これまでに本物質では、Euサイトを他の希土類で部分置換することで、弱強磁性が発現することを見出した。その起源解明に向け、本年度はEuMnBi2の反強磁性秩序の詳細を中性子散乱と共鳴X線散乱により調べた。ゼロ磁場での反強磁性構造に加え、磁場中でEuをキャントさせ、有限の磁化が存在する場合のEu層とMn層の磁気秩序を調べた。その結果、Eu層が磁場によりキャントした場合でも、Mn層はキャントすることなくゼロ磁場の反強磁性構造が保持されていることを明らかにし、論文で発表した。以上の成果から、元素置換でもEu層の磁気秩序のみが変調されていることが示唆された。さらに、本年度はキャリア濃度の制御法を確立した。Eu層やMn層に価数の異なる元素を部分置換することにより、電子・正孔の両キャリアをドープできることがわかった。現在、論文投稿中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
(1) BaMnX2系単結晶は、通常、極性方向が90度異なるドメインが混在したマルチドメイン状態である。本年度はこの極性ドメインがピンセットによる応力で回転できることを見出した。この手法を利用することで、ほぼ単一ドメインの単結晶試料を作り出すことに成功し、磁化の面内異方性の解明に至った。さらに、単一ドメインの単結晶試料において輸送測定も実施した。しかしながら、ピンセットによる応力印加により、試料にわずかなクラックが入ってしまうため、as-grownの単結晶試料に比べると大きく劣化した輸送特性となってしまった。今後は、ピエゾ素子などを利用することによりダメージの少ないドメイン単一化手法の開発が必要であることがわかった。
(2) EuMnBi2系に関しては、Gdドープによりフェルミエネルギーを精密に制御できることを実証した結果、ゼーベック・ネルンスト効果の詳細なフェルミエネルギー依存性を実験的に解明することに成功した。Gdドープでは自発磁化が発現しなかったが、磁場中の通常ネルンスト効果が、フェルミエネルギーがディラック点に近づくにつれて、発散的に増大することを見出した。これは、バンド端まで移動度が低下しないディラック分散特有の振る舞いであることを解明した。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) BaMnX2系に関しては、自発磁化が極性歪みに起因していることが判明したため、まずは極性歪の制御を目指した元素置換を行う。BaサイトやXサイトを系統的に元素置換することにより単結晶を育成し、自発磁化と輸送特性の変化を明らかにする。また、自発磁化が生じる面内方向に磁場を印加し、面間方向に熱流を印加した場合の異常ホール・ネルンスト効果の予備測定にも成功しているため、その基本特性を実験的に解明する。上記で得られた一連の単結晶においてもホール・ネルンスト効果を測定し、応答の巨大化やメカニズムの解明を進める。
(2) EuMnBi2系に関しては、磁性の変調とキャリア濃度の同時制御に向け、絶縁層の構成元素を複数種類置換することを試みる。具体的には、本年度の結果から自発磁化を発現させるための元素置換により多量の電子がドープされてしまい、この補償が困難であった。そこで、より効率的に正孔ドープできる元素置換を探索する。これに加え、新しい磁性ラシュバ系物質の開拓を初めているため、新物質系での強磁性体の開拓も進める。
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[Journal Article] Switching of band inversion and topological surface states by charge density wave2020
Author(s)
N. Mitsuishi, Y. Sugita, M. S. Bahramy, M. Kamitani, T. Sonobe, M. Sakano, T. Shimojima, H. Takahashi, H. Sakai, K. Horiba, H. Kumigashira, K. Taguchi, K. Miyamoto, T. Okuda, S. Ishiwata, Y. Motome, and K. Ishizaka
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Journal Title
Nat. Commun.
Volume: 11
Pages: 2466[9]
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Spin-valley coupling sensitive to lattice distortion in layered Dirac metal BaMn$X$$_2$ ($X$ = Bi, Sb)2021
Author(s)
M. Kondo, M. Ochi, T. Kojima, R. Kurihara, D. Sekine, M. Matsubara, A. Miyake, M. Tokunaga, K. Kuroki, H. Murakawa, N. Hanasaki and H. Sakai
Organizer
APS March meeting 2021 (Online)
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[Presentation] High field transport properties for spin-valley coupled Dirac materials BaMn$X$$_2$ ($X$ = Bi, Sb)2020
Author(s)
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
Organizer
ARHMF2020 (Asian regional high-field conference), Online
Int'l Joint Research
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