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2022 年度 実施状況報告書

有機ディラック半金属を用いた量子異常に起因するカイラル磁気効果開拓

研究課題

研究課題/領域番号 22K03533
研究機関東邦大学

研究代表者

田嶋 尚也  東邦大学, 理学部, 教授 (40316930)

研究分担者 川椙 義高  東邦大学, 理学部, 講師 (40590964)
森成 隆夫  京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (70314284)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
キーワード3次元ディラック半金属 / 量子異常 / カイラル磁気効果 / プレーナーホール効果
研究実績の概要

グラフェンの発見以来、ディラック半金属およびワイル半金属の物性研究が精力的に行われている。最近、本研究グループは、電子相関によりカイラル対称性が破れた3次元有機ディラック半金属を発見した。カイラル対称性が破れた3次元ディラック/ワイル半金属に対する興味の1つは、量子異常に起因したカイラル磁気効果などの散逸を伴わない新奇の輸送現象が現れることにある。既に無機物質において幾つかの実験報告例がある。しかし、有機ディラック半金属は無機物質系と異なり、質量ギャップを伴わないでカイラル対称性が破れているため、新奇のカイラル磁気効果が大いに期待される。本研究では、質量ゼロの有機ディラック半金属を題材に量子異常に起因するカイラル磁気効果を開拓することを目的にした。具体的には、電場Eと磁場Bの方向とそれらの強度をパラメーターにカイラル磁気効果の特徴である負の磁気抵抗効果等の散逸を伴わない輸送特性を見出すことである。以下が、グループメンバーそれぞれが担当した研究概要である。
田嶋(研究代表者):有機導体a-(BEDT-TTF)2I3が高圧力下・低温で3次元ディラック半金属であることを実験的に明らかにした。次に、この物質を題材に、カイラル磁気効果の特徴である負の磁気抵抗効果、さらにはプレーナーホール効果の観測に成功し、量子異常を見出すことに成功した。
川椙(研究分担者):有機導体a-(BEDT-TTF)2I3の純良試料を作成した。
森成(研究分担者):有機導体a-(BEDT-TTF)2I3が高圧力下・低温で3次元ディラック半金属であることを理論的に明らかにした。有機3次元ディラック半金属を対象に、量子異常に起因したカイラル磁気効果の理論を構築し、田嶋の実験結果を理論的に解釈した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

田嶋(研究代表者):候補物質であった有機導体a-(BEDT-TTF)2I3が高圧力下・低温で3次元ディラック半金属であることを実験的に明らかにできた。この物質を題材に、カイラル磁気効果の特徴である負の磁気抵抗効果、さらにはプレーナーホール効果の観測に成功し、量子異常を見出すことに成功した。
川椙(研究分担者):上記の観測に必要な純良試料を作成した。
森成(研究分担者):有機導体a-(BEDT-TTF)2I3が高圧力下・低温で3次元ディラック半金属であることを理論的に明らかにした。さらに、量子異常に起因したカイラル磁気効果の理論を構築し、実験結果を理論的に再現することに成功した。
なお、以上の成果のうち、有機導体a-(BEDT-TTF)2I3が高圧力下・低温で3次元ディラック半金属であることは理論・実験の両面から論文にまとめ、既に公表済みである。また、カイラル磁気効果の特徴である負の磁気抵抗効果とプレーナーホール効果の観測についてまとめた論文を投稿中である。

今後の研究の推進方策

田嶋(研究代表者):有機導体a-(BEDT-TTF)2I3は10K以上では2次元ディラック半金属であるが、それよりも低温で3次元ディラック半金属が実現する。カイラル磁気効果の特徴である負の磁気抵抗効果およびプレーナーホール効果について、温度をパラメーターにして調べ、量子異常への次元クロスオーバー効果について明らかにすることを計画する。さらに、対象物質を有機導体a-(BETS)2I3に広げ、量子異常に起因したカイラル磁気効果に起因する輸送現象の普遍性を調べる。
川椙(研究分担者):有機導体a-(BEDT-TTF)2I3とa-(BETS)2I3の純良試料を作成する。
森成(研究分担者):この系の特徴を取り入れたプレーナーホール効果の理論的定式化がほぼ完成したことから、熱輸送現象への量子異常効果の定式化を行う。また、強相関効果による時間反転対称性の破れを解析し、非磁性の異常ホール効果が発現する可能性を調べる。

次年度使用額が生じた理由

次年度使用額が生じた理由:1つは、低温実験では、液体ヘリウムが欠かせない。現有設備に液体ヘリウム再凝縮機を所有しているが、ヘリウム回収率は90%のため、ヘリウムガスを追加する必要がある。しかし、ヘリウムガスが入手困難であったため、次年度使用額が生じた。なお、研究遂行に支障はなく、現在は価格高騰しているが入手できている。2つ目の理由は、試料作成に必要な試薬が購入できなくなったことである。これも現在は入手できており、研究への支障はない。3つ目の理由は、感染状況を踏まえ、研究打ち合わせをオンラインに切り替えたことである。
次年度使用計画:入試困難であった、ヘリウムガスと試薬は現在入手することが可能であるが、価格が高騰しているため、次年度に計画していた助成金に加えて使用する。また、研究打ち合わせはオンラインよりも対面での方が、互いの意思が良く伝わるため、研究打ち合わせ旅費にあてる。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (8件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Coherent Interlayer Coupling in Quasi-Two-Dimensional Dirac Fermions in α-(BEDT-TTF)2I32023

    • 著者名/発表者名
      N. Tajima, Y. Kawasugi, R. Oka, T. Naito, and R. Kato
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 92 ページ: 013702(1-3)

    • DOI

      10.7566/JPSJ.92.013702

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Strain-induced massless Dirac fermion state of the molecular conductor α-(BEDT-TTF)2I32023

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawasugi, H. Suzuki, H. M. Yamamoto, R. Kato, and N. Tajima
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 122 ページ: 1230102(1-4)

    • DOI

      10.1063/5.0141023

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Observations of ν = 1 Quantum Hall Effect and Inter-Band Effects of Magnetic Fields on Hall Conductivity in Organic Massless Dirac Fermion System α-(BETS)2I3 under Pressure2023

    • 著者名/発表者名
      K. Iwata, A. Koshiba, Y. Kawasugi, R. Kato, and N. Tajima
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 92 ページ: 053701(1-5)

    • DOI

      10.7566/JPSJ.92.053701

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Narrow Zero Mode in Organic Massless Dirac Electron System α-(BEDT-TTF)2I32022

    • 著者名/発表者名
      A. Mori, Y. Kawasugi, R. Doi, T. Naito, R. Kato, Y. Nishio, and N. Tajima
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 91 ページ: 045001(1-2)

    • DOI

      10.7566/JPSJ.91.045001

    • 査読あり
  • [学会発表] 有機ディラック電子系の低磁場下輸送特性2023

    • 著者名/発表者名
      田嶋尚也,川椙義高,岡竜平,内藤俊雄,加藤礼三,西尾豊
    • 学会等名
      日本物理学会 2023年春季大会
  • [学会発表] 曲げ歪みを利用した常圧におけるα-(BEDT-TTF)2I3の絶縁相の抑制II2023

    • 著者名/発表者名
      川椙義高,鈴木遥人,山本浩史,加藤礼三,田嶋尚也
    • 学会等名
      日本物理学会 2023年春季大会
  • [学会発表] 電荷秩序絶縁体α-BEDT-TTF2I3の基板上薄片単結晶における電気抵抗率の異方性2022

    • 著者名/発表者名
      川椙義高, 大上達也, 山本浩史, 加藤礼三, 田嶋尚也
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
  • [学会発表] 有機ディラック電子系における量子異常2022

    • 著者名/発表者名
      田嶋尚也, 川椙義高, 岡竜平, 内藤俊雄, 加藤礼三, 西尾豊
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
  • [学会発表] 有機ディラック電子系α-(BETS)2I3の圧力下輸送特性2022

    • 著者名/発表者名
      岩田和之, 川椙義高, 加藤礼三, 西尾豊, 田嶋尚也
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
  • [学会発表] 有機導体ディラック半金属の量子異常による輸送現象2022

    • 著者名/発表者名
      森成隆夫
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
  • [学会発表] Gate- and Strain-induced Phase Transitions in Organic Strongly Correlated Systems2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Kawasugi, H. Sakurakoji, J. Pu, T. Takenobu, H. M. Yamamoto, R. Kato, and N. Tajima
    • 学会等名
      The 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • [学会発表] Low Temperature Phases in Organic Massless Dirac Electron System α-(BEDT-TTF)2I32022

    • 著者名/発表者名
      N. Tajima, Y. Kawasugi, T. Naito, R. Kato, and Y. Nishio
    • 学会等名
      The 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • [備考] 東邦大学理学部物理学科物性物理学教室ホームページ

    • URL

      https://www2.ph.sci.toho-u.ac.jp/tajima/index.html

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公開日: 2023-12-25  

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