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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Study of quantum transport phenomena in Dirac magnets with spontaneous magnetisation

Research Project

Project/Area Number 19H01851
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

酒井 英明  大阪大学, 理学研究科, 准教授 (20534598)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Keywordsディラック半金属 / 強磁性体 / 極性金属 / ワイル磁性体 / 異常ホール効果
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ディラック電子特有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し、多層ディラック電子系磁性体を基軸に新物質・物性開拓を進めてきた。本年度の主な成果は以下である。
(1) BaMnX2系のスピン・バレー状態と自発磁化の元素置換による制御
BaMnX2では、X正方格子がわずかに歪むことにより、面内方向に極性を有する。この歪みは自発磁化に加え、スピン軌道相互作用によりディラック電子にバレーごとに異なるスピン偏極を誘起する。本年度はXサイトの元素置換により、これらの磁気・電子状態を制御できることを実証した。XサイトをSbからBiに置換することで、格子歪みが大きく減少し、バレー配置が変化する上、自発磁化が増加することがわかった。この結果はCommun. Mater.誌に発表し、プレスリリースを行った。また自発磁化と垂直な層間方向に熱流を流した場合に発現する異常ホール・ネルンスト効果の観測を行った。この結果、微小な自発磁化 (約0.0001μB/Mn)にも関わらず、数μV/Kに達するネルンスト起電力が発生することを見出した。
(2) Eu系の新物質開拓
新規磁性ディラック・ワイル半金属の開拓を行った。まずディラック半金属候補物質であるBaMg2Bi2の磁性版となるEuMg2Bi2の純良単結晶の合成に成功した。Eu層はゼロ磁場で(A型)反強磁性を示すが、4 T以下の弱磁場で強磁性へ転移する。この強磁性相ではワイル点がフェルミエネルギー近傍に生成されることが理論的に明らかとなり、巨大な異常ホール効果が実験的に観測された。本結果に関する論文を現在投稿中である。さらに、Euを含むEuMX系極性金属の単結晶合成に成功した。磁化率の温度依存性から、Eu層に平行方向にはわずかな自発磁化をもつことを見出したが、この自発磁化に起因する異常ホール効果の観測には至っていない。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (15 results)

All 2022 2021 Other

All Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 3 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Magnetic generation and switching of topological quantum phases in a trivial semimetal2022

    • Author(s)
      A. H. Mayo, H. Takahashi, M. S. Bahramy, A. Nomoto, H. Sakai, and S. Ishiwata
    • Journal Title

      Phys. Rev. X

      Volume: 12 Pages: 011033

    • DOI

      10.1103/PhysRevX.12.011033

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Optimizations of the Sintering Temperature to Reduce the Nd3RuO7 Phase and Investigations of their Effect on the Magnetic Properties in Nd2Ru2O72021

    • 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

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Enhancing thermopower and Nernst signal of high-mobility Dirac carriers by Fermi level tuning in the layered magnet EuMnBi22021

    • 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: 31 Pages: 2102275

    • DOI

      10.1002/adfm.202102275

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Tunable spin-valley coupling in layered polar Dirac metals2021

    • Author(s)
      M. Kondo, M. Ochi, T. Kojima, R. Kurihara, D. Sekine, M. Matsubara, A. Miyake, M. Toku- naga, K. Kuroki, H. Murakawa, N. Hanasaki, and H. Sakai*
    • Journal Title

      Commun. Mater.

      Volume: 2 Pages: 49

    • DOI

      10.1038/s43246-021-00152-z

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Variation of charge dynamics upon antiferromagnetic transitions in the Dirac semimetal EuMnBi22021

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

      Phys. Rev. B

      Volume: 104 Pages: 115111

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.104.115111

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dirac Loops in a Strongly Correlated Metal: Origin of Large Magnetoresistance?2021

    • Author(s)
      H. Sakai
    • Journal Title

      JPSJ News Comments

      Volume: 18 Pages: 14

    • DOI

      10.7566/JPSJNC.18.14

  • [Journal Article] Element dependence of local disorder in medium-entropy alloy CrCoNi2021

    • Author(s)
      N. Hanasaki, M. Oda, K. Niitsu, K. Ehara, H. Murakawa, H. Sakai, H. Nitani, H. Abe, H. Sagayama, H. Uetsuka, T. Karube, and H. Inui
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 11 Pages: 125216

    • DOI

      10.1063/5.0072766

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] ブロック層を利用した多彩なディラック電子系物質の開拓:磁性・極性とのカップリング2021

    • Author(s)
      酒井英明
    • Journal Title

      日本物理学会誌

      Volume: 76, No. 11 Pages: 729-734

    • DOI

      10.11316/butsuri.76.11_729

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Block-layer design for high-mobility magnetic and polar Dirac materials2022

    • Author(s)
      H. Sakai, H. Fujimura, R. Kurihara, A. Miyake, M. Tokunaga, T. Kida, M. Hagiwara, K. Tsuruda, H. Murakawa, and N. Hanasaki
    • Organizer
      SMS2022 (Summit of Materials Science 2022), Sendai, Japan/Online
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ThCr2Si2 型構造を有する EuAu2Ge2 の低温磁気相図2022

    • Author(s)
      湯浅直樹、酒井英明、木田孝則、萩原政幸、村川寛、花咲徳亮
    • Organizer
      日本物理学会第 77 回年次大会
  • [Presentation] Spin/valley-polarized quantum transport in magnetic and polar Dirac materials2021

    • Author(s)
      H. Sakai
    • Organizer
      Asia-Pacific Conference on Condensed Matter Physics 2021 (AC2MP2021), Online
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Tuning Thermoelectric Performance for a Layered Dirac Material with High-mobility Car- riers2021

    • Author(s)
      H. Sakai
    • Organizer
      MRM2021 (Materials Research Meeting), Yokohana, Japan/Online
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 極性を持つディラック電子系物質 BaMnBi2 における格子歪に敏感なスピン・バレー結合 状態2021

    • Author(s)
      近藤雅起、酒井英明、越智正之、小島達弘、栗原綾佑、関根大輝、松原正和、三宅厚志、 徳永将史、黒木和彦、村川寛、花咲徳亮
    • Organizer
      第 5 回固体化学フォーラム
  • [Presentation] 磁性トポロジカル絶縁体候補物質 EuMg2Bi2 における非従来型異常ホール効果と量子振動 の観測2021

    • Author(s)
      近藤雅起、酒井英明、越智正之、栗原綾佑、三宅厚志、山崎裕一、徳永将史、中尾裕則、 黒木和彦、村川寛、花咲徳亮
    • Organizer
      日本物理学会 2021 年秋季大会
  • [Remarks] 代表者ホームページ

    • URL

      http://hide-sakai.net

URL: 

Published: 2022-12-28  

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