Study of quantum transport phenomena in Dirac magnets with spontaneous magnetisation

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H01851
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Osaka 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
• 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

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.

Free Research Field

物性物理学

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。