Real Space Observation of Berry Phase by Electron Microscopy

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K20899
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: Nagao Masahiro 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (80726662)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2022-03-31
• Keywords: ベリー位相 / 電子顕微鏡

Outline of Final Research Achievements

In condensed-matter physics, the Berry phase is the origin of various novel physical properties such as the Hall effects. However, there has been no direct observation of the Berry phase in solids. In this study, we tried to visualize the Berry phase distribution in solids in real space.
We have used Lorentz transmission electron microscopy (LTEM) to visualize the Berry phase distribution on antiferromagnetic Mn3Sn, in which the Berry phase generates the giant anomalous Hall effect. As a result, no contrast originating from the Berry phase was observed. The reason may be that the energy of an electron beam with an accelerating voltage of 80-200 kV in LTEM is significantly different from the energy of the momentum space where the Berry phase exists.

Free Research Field

固体物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

固体物理学においてベリー位相は種々のホール効果の起因として議論されている。しかし、これまで固体中のベリー位相の直接観測した研究は存在しない。ベリー位相分布を実空間で可視化することにより，固体中の量子現象において普遍的位相であるベリー位相のマクロな物性評価では分からない隠れた特性を明示することは、固体物理学のみならず工学的応用の発展においても重要である。残念ながら、本研究では、直接観察の成功には至らなかったが、本研究の実施により、使用する電子線のエネルギーをベリー位相が存在する運動量空間のエネルギーに調整することで、観測可能であるという結論が得られた。これは今後の装置開発の指針となる結果である。