Exploration of quantum transport induced by emergent magnetic field in real and momentum space

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22K20348
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 山田 林介 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80962133)
• Project Period (FY): 2022-08-31 – 2024-03-31
• Keywords: トポロジカル物質 / 熱電効果 / 高移動度 / 量子輸送

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、実空間のスピン構造と波数空間における電子構造の協奏効果による新奇量子現象の探索を目標としている。これまで空間反転対称性の破れた磁性ワイル半金属であるRAlSi(R=希土類)に着目して研究を進めてきた。磁性ワイル半金属RAlSiにおいては、波数空間における電子構造であるワイル分散と実空間における磁気構造が密接に関連していることが近年の研究により明らかになってきた。特に、ワイル電子がスピン間の相互作用を媒介することで、螺旋磁性が生じる可能性が指摘されている。
本研究では、フェルミ面の近傍の電子状態に敏感なプローブとして知られている熱電効果を用いて、磁気構造とワイル電子の協奏効果の探索を行った。まず、アルミニウムフラックス法を用いてミリメートルサイズの高品質単結晶NdAlSiの合成を行った。ラウエX線回折法やエネルギー分散型X線(EDX)分析、抵抗測定を用いて、育成したNdAlSiの品質評価を行った。抵抗測定によりキャリア数と移動度の関係を明らかにし、ワイル電子の寄与が明瞭に観測可能な高品質試料を選出し、熱電効果の測定を行った。
NdAlSiのネルンスト効果は低温に向かって増大し、磁気転移温度より少し高温において最大を示し、さらに低温では減少した。高温および低温におけるネルンスト効果は、半古典的なモデルによって定量的によく説明されることを明らかにした。ここでの解析には、ネルンスト効果の磁場依存性をフィット可能なマルチキャリアモデルを考案し、用いた。さらに、磁気転移温度近傍での増大は、フェルミ面のネスティングに関連した散乱時間の異常に由来していることを明らかにした。以上の結果は論文にまとめられ、Physical Review X誌に掲載された。

Research Products

• [Journal Article] Nernst Effect of High-Mobility Weyl Electrons in NdAlSi Enhanced by a Fermi Surface Nesting Instability (2024)
  • Author(s): Yamada Rinsuke、Nomoto Takuya、Miyake Atsushi、Terakawa Toshihiro、Kikkawa Akiko、Arita Ryotaro、Tokunaga Masashi、Taguchi Yasujiro、Tokura Yoshinori、Hirschberger Max
  • Journal Title: Physical Review X Volume: 14 Pages: 1, 12
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.14.021012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 量子極限における擬一次元強相関ディラック電子による新奇量子相の探索 (2024)
  • Author(s): 山田林介
  • Organizer: 学術変革領域研究（A）「1000テスラ科学」 第三回領域会議
• [Presentation] らせんワイル磁性体GdAlSiにおける異方的電子特性 (2023)
  • Author(s): Rinsuke Yamada, Ryota Nakano, Sebastian Esser, Masaki Gen, Akiko Kikkawa, Yasujiro Taguchi, Maurice Colling, Jan Masell, Masashi Tokunaga, Hajime Sagayama, Hiroyuki Ohsumi, Yoshikazu Tanaka, Takahisa Arima, Yoshinori Tokura, Max Hirschberger
  • Organizer: 新学術領域研究 量子液晶の物性科学 令和5年度 領域研究会
• [Presentation] Nernst effect of high-mobility Weyl electrons in NdAlSi enhanced by a Fermi surface nesting instability (2023)
  • Author(s): R. Yamada, T. Nomoto, R. Arita, A. Kikkawa, Y. Taguchi, A.Miyake, M. Tokunaga, Y. Tokura, M. Hirschberger
  • Organizer: The IEEE Around-the-Clock Around-the-Globe Magnetics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ワイル半金属NdAlSiにおけるフェルミ面のネスティングに起因したネルンスト効果の増大 (2023)
  • Author(s): 山田林介, 野本拓也, 有田亮太郎, 吉川明子, 田口康二郎, 三宅厚志, 徳永将司, 十倉好紀, Max Hirschberger
  • Organizer: 日本物理学会 第78回年次大会
• [Presentation] Quantum transport phenomena in correlated topological semimetals (2023)
  • Author(s): R. Yamada, J. Fujioka, M. Kawamura, D. Hashizume, S. Sakai, M. Hirayama, T. Nomoto, R. Arita, A. Kikkawa, R. Kurihara, A. Miyake, M. Tokunaga, Y. Taguchi, Y. Tokura, M. Hirschberger
  • Organizer: Quantum Magnetism and Topology 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] Research map
  • URL: https://researchmap.jp/r_yamada