実空間と波数空間の創発磁場を用いた新奇量子輸送現象の探索

• 研究課題/領域番号: 22K20348
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0202:物性物理学、プラズマ学、原子力工学、地球資源工学、エネルギー学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 山田 林介 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80962133)
• 研究期間 (年度): 2022-08-31 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: トポロジカル物質 / 強相関電子系 / 熱電効果 / 量子輸送 / 高移動度 / ワイル磁性体 / ベリー位相

研究開始時の研究の概要

現在の半導体産業では電子の粒子性が中心的な役割を果たしているが、本研究では電子の量子力学的な波としての性質に着目した新奇輸送現象の開拓を行う。電子が非自明な位相を有するトポロジカル磁性体を対象として、実空間と波数空間におけるトポロジーを活用することで、巨大な異常ホール効果や異常ネルンスト効果などの電子の量子位相に由来した量子現象の観測を目指す。

研究成果の概要

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設定した。具体的には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、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極大を示した。半古典モデルを用いた解析と第一原理計算によるバンド構造を組み合わせることで、磁気転移温度近傍での増大が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。

研究成果の学術的意義や社会的意義

従来の熱電効果は物質のキャリア数が少なくなるほど増大するため、候補物質の探索領域が希薄キャリア半導体を中心としたものに限られることが多かった。本研究では、磁気的な周期構造を有する物質の磁気転移温度付近で、散乱時間の揺らぎによって熱電効果が増大する可能性を明らかにした。この効果は、キャリア数の多い金属的な試料でも発現することから、より幅広い物質において発現すると考えられ、熱電効果の探索領域が拡大することが期待される。今後は、磁気的な周期構造にとどまらず、電荷の周期構造（電荷密度波）に起因した熱電効果の探索が興味深い研究方針と考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Nernst Effect of High-Mobility Weyl Electrons in NdAlSi Enhanced by a Fermi Surface Nesting Instability (2024)
  • 著者名/発表者名: Yamada Rinsuke、Nomoto Takuya、Miyake Atsushi、Terakawa Toshihiro、Kikkawa Akiko、Arita Ryotaro、Tokunaga Masashi、Taguchi Yasujiro、Tokura Yoshinori、Hirschberger Max
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 14 号: 2 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1103/physrevx.14.021012
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 山田林介
  • 学会等名: 学術変革領域研究（A）「1000テスラ科学」 第三回領域会議
• [学会発表] らせんワイル磁性体GdAlSiにおける異方的電子特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Nernst effect of high-mobility Weyl electrons in NdAlSi enhanced by a Fermi surface nesting instability (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Yamada, T. Nomoto, R. Arita, A. Kikkawa, Y. Taguchi, A.Miyake, M. Tokunaga, Y. Tokura, M. Hirschberger
  • 学会等名: The IEEE Around-the-Clock Around-the-Globe Magnetics Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会 第78回年次大会
• [学会発表] Quantum transport phenomena in correlated topological semimetals (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Quantum Magnetism and Topology 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Giant anomalous Hall effect due to skew scattering in magnetic Weyl semimetal NdAlSi (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Yamada, M. Hirschberger, T. Nomoto, R. Arita, A. Kikkawa, Y. Taguchi, Y. Tokura
  • 学会等名: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • 国際学会
• [学会発表] 磁性ワイル半金属NdAlSiにおけるネルンスト効果の増大 (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [備考] Research map
  • URL: https://researchmap.jp/r_yamada