New Quantum Thermoelectric Effects in Topological Semimetals under High Magnetic Fields

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H01860
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Osada Toshihito 東京大学, 物性研究所, 教授 (00192526)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 量子熱電ホール効果 / トポロジカル半金属 / ディラック電子系 / 有機導体 / ノーダルライン半金属 / グラファイト / 強磁場 / 非線形異常ホール効果

Outline of Final Research Achievements

We conducted experimental and theoretical studies on the quantized thermoelectric Hall effect (QTHE) expected in topological semimetals under the high-magnetic-field quantum limit, using a two-dimensional massless Dirac fermion system α-(BEDT-TTF)2I3 and the three-dimensional semimetal graphite with straight nodal lines. In the former, we showed that QTHE is suppressed with traces due to the spin splitting of the ground Landau level. In the latter, we established the appearance of QTHE similar to Dirac/Weyl semimetals. Furthermore, we demonstrated the nonlinear anomalous Hall effect in the weak charge ordered state of α-(BEDT-TTF)2I3 and proposed its thermoelectric analogue, the nonlinear anomalous Ettingshausen effect.

Free Research Field

物性物理学（低次元物質の量子輸送現象・トポロジカル量子物性）

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

冷却や発電などエネルギー変換に用いる熱電材料の探索は近年進んでいるが、宇宙空間などの低温環境でも使用可能な熱電材料は未知である。そのため低温でも有限の熱電性能を示すトポロジカル半金属の強磁場量子極限における量子熱電Hall効果（QTHE）が注目されてきた。本研究は２次元系ではスピン分裂がQTHEを抑制すること、３次元系ではnodal-line系にもQTHEが拡張できることを示したもので、QTHEの物理の基礎学術的理解を深めると共に、応用上の限界と材料選択の自由度についての新たな知見を与えた。