2021 Fiscal Year Annual Research Report
New Quantum Thermoelectric Effects in Topological Semimetals under High Magnetic Fields
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20H01860
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
長田 俊人 東京大学, 物性研究所, 教授 (00192526)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | トポロジカル半金属 / 熱電効果 / 強磁場 / 有機導体 / ディラック電子系 / 非線形異常ホール効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は強磁場量子極限下のトポロジカル半金属における新しい熱電現象を調べるものである。当初の目標は、(1)理論的に予測されていた2次元Dirac電子系のν=0量子Hall状態が示す「量子熱電Hall効果」を、層状有機導体α-(ET)2I3の圧力下量子Hall強磁性状態を用いて実証すること、(2)3次元トポロジカル半金属における量子極限下の量子熱電Hall効果的由来の「非飽和熱電能」をグラファイト等を用いて調べることであった。初年度に行った予備実験により、α-(ET)2I3においてDirac電子系が現れる臨界圧力直下の「弱い電荷秩序状態」が有限のBerry曲率を持つmassive Dirac電子系であることが判明したので、そこで発現が期待される(3)「非線形異常Hall効果」の探索を新たに研究目標に加え、計画を修正した。
次年度は、このα-(ET)2I3の弱い電荷秩序状態における非線形異常Hall効果の実験的探索を行った。その結果、有限の非線形異常Hall効果を観測し、それが初年度に行ったBerry曲率双極子機構による予測・評価と整合することを確認した。これは有機伝導体分野の、あるいは絶縁体相における最初のトポロジカル伝導の観測という意味を持つ。
電荷秩序と非線形異常Hall効果の相関関係を確認するために、圧力を変えた同様の実験を、研究費を繰り越して、最終年度（３年目）にまたがって実行した。
また以上の非線形異常Hall効果の研究に加え、その熱電効果におけるアナロジーである「非線形異常Ettingshausen効果」の理論提案を行い、実験的探索を試みた。
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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
当初課題(1)の有機導体の強磁場下Dirac電子相の「量子熱電Hall効果」に関しては、有機導体特有の相対的に大きなZeeman分裂が量子熱電Hall効果に与える影響を理論的に解明し、それと整合する実験結果が得られている。
その過程でDirac電子相直近の弱い電荷秩序相が有限のBerry曲率を持つmassive Dirac電子系であることが判明し、そこで期待される「非線形異常Hall効果」の探索を新たな研究課題として追加し研究を展開した。その結果、理論的・実験的に「非線形異常Hall効果」という有機導体初のトポロジカル輸送現象を確認した。さらにその熱電効果版である「非線形異常Ettingshausen効果」を理論的に提案し、定量的に観測可能であることを示した。以上は当初計画を超える成果であるので、「(1)当初の計画以上に進展している」と判断した。
なお当初課題(2)の3次元トポロジカル半金属における量子極限下の「量子熱電Hall効果」については、最終年度にグラファイトを用いた実験を集中的に行う予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は研究課題(2)の量子極限下の3次元トポロジカル半金属における「量子熱電Hall効果」について集中的に研究する。Weyl半金属やDirac半金属などのノード点を持つ3次元トポロジカル半金属については、熱電Hall伝導度αxyが磁場に対してプラトーを示す「量子熱電Hall効果」がMITグループにより理論的に提案され、実証実験も進んでいる。これに対し本研究では、開いたノード線を持つトポロジカル半金属も「量子熱電Hall効果」を示すことを理論的に確立すると共に、グラファイトを用いて検証実験を行う。
また2次元Dirac電子系が積層した層状ノーダルライン半金属の場合、薄膜化すると量子熱電Hall効果が3次元から2次元へと次元交差を起こすはずである。これを理論的に考察すると共に、薄膜グラファイトを用いた実験により検証する。
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