研究課題
基盤研究(B)
トポロジカルな電子状態を有する磁性体は、革新的スピントロニクス応用が期待でき注目を集めている。これに対し近年、申請者は多層ディラック電子系磁性体を開拓し、超高移動度のディラック電子を磁化で制御することにより、特異な磁気抵抗効果やホール効果を実証した。しかし、従来物質はすべて反強磁性体であった。そこで本研究では、多層ディラック電子系強磁性体を創製し、ゼロ磁場での異常磁気伝導を実現することを目的とする。多彩な合成法を駆使することにより、既存の系に対し元素置換を行い、自発磁化の巨大化や強磁性化を目指す。これにより、自発磁化と量子伝導が結合する強相関トポロジカル現象を新規開拓する。
本研究では、磁性層とディラック電子層が積層した層状磁性体を対象に、ディラック電子特有の量子輸送現象を自発磁化で制御できる(弱)強磁性体の新規開拓を行った。スピンキャントによる弱強磁性を示すBaMnX2では、X正方格子がわずかに歪み、面内方向に極性が生じることを見出した。この歪みは自発磁化に加え、スピン軌道相互作用によりディラック電子にスピンとバレーのロック状態を引き起こすため、弱磁場で特異な磁気輸送現象が発現する。また、磁性と強く結合する反強磁性体EuMnBi2では、Euサイトを他の希土類元素で部分置換することで、自発磁化やフェルミエネルギーを系統的に制御できることを実証した。
本系の弱強磁性(スピンのキャント)の要因が、極性をもつ格子歪みであることを突き止めた結果、スピンと運動量がロックしたディラック電子が実現していることを解明できた点は、当初の予想外であり、学術的に重要な発見となった。さらに、この特異な電子状態と自発磁化の結合に起因すると思われる新しいホール効果やネルンスト効果の兆候を観測できた点は、将来のデバイス応用に向けて重要な成果である。また、系統的なキャリア濃度制御に成功し、熱電・熱磁気発電の最適化を実証した点は、磁性との強い結合と高移動度が両立する本物質系は、幅広い応用用途が期待できることを示す結果となった。
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