ワイル磁性体におけるエッジ電流の観測

• 研究課題/領域番号: 18K18727
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分13:物性物理学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 芝内 孝禎 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00251356)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2018年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
• キーワード: ベリー位相 / 軌道磁化 / ワイル磁性体 / カイラル磁性 / エッジ電流 / 走査型顕微鏡 / ホール素子 / 走査型磁気顕微鏡 / トポロジカル物質 / 表面磁場分布 / 時間反転対称性 / カイラル反強磁性 / トンネル磁気抵抗素子

研究成果の概要

本研究では、近年発見されたワイル磁性体候補物質Mn3Snにおいて、ベリー位相に由来するエッジ電流に伴う軌道磁化の初観測を目的とした。走査型磁気顕微鏡を用いることにより、Mn3Snの試料表面の磁場分布を精密に測定した結果、通常の磁化成分だけでは説明できない、新しい磁化成分の存在を明らかにした。この新しい磁化成分の温度依存性、磁場依存性を詳細に調べ、反磁場の効果をセルフコンシステントに取り入れたシミュレーション計算と比較することで、ベリー位相を起因とする軌道磁化が存在するという結論が得られた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

波動関数が獲得する幾何学的位相であるベリー位相に起因して、様々な新しい物性が現れることが近年盛んに研究されている。そのような中、ベリー位相を起因とするエッジ電流による軌道磁化の存在は、理論的には古くから予言されている反面、未だ実験的に観測されていない。この新しい軌道磁化を観測するためには、時間反転対称性の破れた系が必要であるが、通常の強磁性体においては、通常の磁化成分が圧倒的に大きいためその観測は困難であった。本研究では、通常磁化の成分が小さい系に着目して、世界で初めて軌道磁化の観測に成功した。本研究結果は、磁性におけるベリー位相の寄与の理解を格段に進歩させるものである。

研究成果

• [国際共同研究] 香港中文大学(中国)
• [国際共同研究] エコールポリテクニーク(フランス)
• [国際共同研究] エコールポリテクニーク(フランス)
• [雑誌論文] Measuring magnetic field texture in correlated electron systems under extreme conditions (2019)
  • 著者名/発表者名: Yip King Yau、Ho Kin On、Yu King Yiu、Chen Yang、Zhang Wei、Kasahara S.、Mizukami Y.、Shibauchi T.、Matsuda Y.、Goh Swee K.、Yang Sen
  • 雑誌名: Science 巻: 366 号: 6471 ページ: 1355-1359
  • DOI: 10.1126/science.aaw4278
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Field-angular variations of heat capacity and thermal Hall conductance in the Kitaev material a-RuCl3 (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Shibauchi
  • 学会等名: The 2nd Workshop on Spin-Orbit Coupled Topological States (SOCTS 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Itinerant orbital magnetization in topological antiferromagnetic state (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Shimozawa, K. Sugii, J. Kondo, Y. Suzuki, M. Yamashita, T. Nakamura, S. Katsumoto, Y. Tada, M. Ikhras, T. Higo, T. Tomita, S. Nakatsuji, M. Konczykowski, Y. Matsuda, K. Mukasa, K. Matsuura, Y. Mizukami, T. Shibauchi, M.-T. Suzuki, and R. Arita,
  • 学会等名: Topological Materials Science, The Fourth Annual meeting
• [学会発表] α-RuCl3における磁場中比熱：マヨラナギャップの角度依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 芝内孝禎
  • 学会等名: 第12回トポロジー連携研究会「マヨラナ励起の実証に向けて」
• [備考] 芝内・橋本研究室
  • URL: http://qpm.k.u-tokyo.ac.jp/
• [備考] 芝内研究室
  • URL: http://qpm.k.u-tokyo.ac.jp/index.html