2021 Fiscal Year Research-status Report
Manifestation of nonlinear anomalous Hall effect by controlling charge-ordered domains in organic conductors
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21K18594
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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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2021-07-09 – 2023-03-31
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| Keywords | 非線形異常ホール効果 / 有機導体 / 電荷秩序 / ドメイン / ディラック電子系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
層状有機導体α-(BEDT-TTF)2I3の電子系は低温で空間反転対称性が破れた電荷秩序絶縁相に相転移する。臨界圧力1.2GPa直下の弱い電荷秩序状態は、ギャップの開いた２次元Dirac電子系となり、有限のBerry曲率双極子による非線形異常Hall効果と電流誘起軌道磁化が発現することが予想されていた[T.Osada他,JPSJ89,103701(2020)]。しかし現実の系ではランダムに形成された２種の電荷秩序ドメイン間でこれらは相殺されてしまう。そこで電流誘起磁化を用いてドメイン均衡を破る「電流磁場中冷却法」により非線形異常Hall効果の顕在化を試みた。
試料を冷却して電荷秩序が発生する際に、強磁場下で直流電流を流すと電流誘起磁化が配向するためドメインの配向が期待できる。この場合、ドメイン境界散乱の減少により弱い電荷秩序相の電気抵抗も減少すると期待できる。実験を行ったところ、電流磁場中冷却による有意な抵抗減少は観測できなかった。しかし弱い電荷秩序状態での非線形異常Hall効果の観測には成功した。これは実験では既にドメイン均衡が破れていたことを意味する。非線形異常Hall電圧が電流のBerry曲率双極子に対する向きに依存した異方性や非相反性を示すこと、電荷秩序強度を反映した温度・圧力依存性を示すことを実験的に確認した。これは有機導体分野における初めてのトポロジカル輸送現象の観測であり論文発表した[A.Kiswandhi & T.Osada, J.Phys.:Condens.Matter 34, 105602 (2022)]。
さらにBerry曲率双極子由来の新しい非線形異常熱電効果の提案と、有機導体の弱い電荷秩序相での見積もりを行い、論文発表した[T.Osada & A.Kiswandhi, J.Phys.Soc.Jpn. 90, 053704(2021)]。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
「有機導体の弱い電荷秩序相において、電流磁場中冷却によって電荷秩序ドメイン間の均衡を破り、非線形異常Hall効果を発現させる」という当初の実験目的に対し、電流磁場中冷却の明確な効果は観測できなかったが、非線形異常Hall効果の観測という最終目標の達成には成功した。これは有機導体分野で初めてのトポロジカル輸送現象の観測であるばかりでなく、自発的に対称性が破れた系でのトポロジカル現象という意義を持つ。
以上のように本研究は現在、当初設定した問題に対して実験的回答を得ることができており、その意味で「おおむね順調に進展している」と判断した。今回の結果は、弱い電荷秩序状態のドメイン構造の均衡が初めから破れていたために、電流磁場中冷却によるドメイン制御が不必要だったことを示唆しており、電荷秩序ドメイン形成機構や電流磁場中冷却の作用機序に対する理解が不十分であった可能性を提示している。
一方で非線形異常Hall効果を実証することができたことから、その熱電アナロジーである新しい非線形トポロジカル輸送現象である非線形異常Ettingshausen効果を初めて提案することができた。当初予想していなかった方向への研究テーマの拡がりを与えるものであり、これも研究の順調な進展に寄与していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
上述のように現状での研究結果は、電荷秩序ドメイン形成機構や電流磁場中冷却の作用機序に対する理解が不十分であった可能性を提示しており、また非線形トポロジカル輸送現象の熱電効果への拡張可能性という新しい研究方向も提示している。そこで今後の研究の推進方策として以下の3つが考えられる。
(1)圧力により異なる電荷秩序強度の状態を作り、電流・磁場の値を変えて電流磁場中冷却の効果を抵抗値や非線形異常Hall効果の強度をプローブとして調べる。これによりドメイン形成機構や電流磁場中冷却の作用機序に関する知見を得る。
(2)新しい発展方向として有機導体の弱い電荷秩序相において非線形トポロジカル熱電効果の実験的探索を行う。特に電気伝導と熱電効果は同時に相関して現れるので、同時測定により、それらの関係を明確にする。
(3)非線形異常Hall効果の性質について詳細な実験を行い、本現象の性質の解明を目指す。これはギャップの空いた傾斜Diracコーンを持つ本系はBerry曲率双極子を持つ最も単純な系で非線形トポロジカル現象の研究に最適だからである。特に同心円状に電極を多数配置した試料を作製して電流方向を精密に制御し、結晶のBerry曲率双極子を求め電子構造と比較する。また発展的実験として高周波（マイクロ波）照射による直流異常Hall電圧の発生（一種の光電気変換）を試みる。
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| Causes of Carryover |
有機導体を加工するためにプラズマプロセス装置を購入予定であったが、半導体不足の影響で年度内納品が不可能であることが判明したので、次年度購入することにした（200万円程度）。また次年度は実験を担当する博士研究員を9月から3月まで7か月間雇用するための人件費（200万円程度）も予定している。
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