| 研究課題/領域番号 |
22J12905
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
大野 瑞貴 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-22 – 2024-03-31
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| キーワード | パルスレーザー堆積法 / 酸化物薄膜 / 新物質設計 / 界面制御 / ヘテロ界面 / トポロジカルホール効果 / エレクトロニクス |
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| 研究実績の概要 |
当初の計画通りに、磁性ワイル半金属における巨大な異常ホール伝導度の起源を明らかにすることに成功した。磁性ワイル半金属は、三次元のバルク状態が波数空間でギャップレスな線形分散を持ち、磁気モノポールとも見なせるワイル点に由来した巨大な異常ホール効果が期待できる。磁性ワイル半金属EuCd2Sb2薄膜を分子線エピタキシー(MBE)法を用いて作製し、Sbの蒸気圧制御によってキャリア密度を変調した。その結果、異常ホール伝導度のピークを観測し、第一原理計算の結果と比較することで、フェルミ準位のワイル点通過に伴うピークであることを明らかにした。
その後、MBE装置の移設に伴って研究計画を変更し、パルスレーザー堆積法を用いた準安定相の安定化とそれらのヘテロ構造化に取り組んだ。蛍石構造のYSZ基板上にBinOn(n=2,3)層とRhO2層が交互に積層した新物質[BinOn]-[RhO2](n=2,3)を安定化させることに成功し、BinOn層の層数に依存した金属的な輸送特性を観測した。また、YSZ基板上にパイロクロア型酸化物Eu2Ti2O7をバッファー層として導入することで、電気伝導性パイロクロア型酸化物Bi2Rh2O7という準安定相の安定化に成功した。この結果は、界面制御が相安定時にもたらす強い影響を示しており、薄膜技術を用いたパイロクロア型酸化物のさらなる物性・材料開拓につながると期待される。
さらに、Bi2Rh2O7とスピンアイスという特異な磁気構造を有するDy2Ti2O7とのヘテロ構造を作製することで、絶縁体のDy2Ti2O7のスピン構造や磁気転移を金属のBi2Rh2O7におけるトポロジカルホール効果として電気的に検出することに成功した。これは、絶縁体であるためこれまで電子素子応用に至っていなかった磁性絶縁体のエレクトロニクス応用に向けた大きな発見である。
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| 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
本年度は、波数空間・実空間で獲得したベリー位相に由来する異常ホール効果・トポロジカルホール効果についての研究に取り組んだ。
研究実績の概要で述べた通り、当初の計画通りに対象物質であるキャリア密度の低い磁性ワイル半金属EuCd2Sb2の高品質薄膜化に成功した。磁性ワイル半金属のフェルミ準位に依存した異常ホール伝導を系統的に調べるためには、希薄なキャリア密度を有する試料作製が重要である。本研究では、MBEを用いて元素欠損の少ない高品質薄膜を作製することで、先行研究のバルク単結晶より2桁程度低いキャリア密度を実現した。さらに、Sbの蒸気圧制御による試料依存性と、電界効果を用いた同一試料のキャリア密度依存性を系統的に調べることで、磁性ワイル半金属における巨大な異常ホール伝導度の起源を明らかにすることに成功した。
これに対し、実空間でベリー位相を獲得するためには、非共面的なスピン配置が必要となる。酸化物パイロクロア型酸化物は、幾何学的フラストレーションによって特異な磁気構造が成り立つ物質系であり、スピンアイスを実現するDy2Ti2O7はその格好の舞台である。しかしながら、Dy2Ti2O7は絶縁体であり、その特異な磁気構造を電気的に検出することは不可能であった。本研究では、安定化に成功した電気伝導性パイロクロア型酸化物Bi2Rh2O7とのヘテロ構造を作製することで、Dy2Ti2O7が獲得した実空間のベリー位相をBi2Rh2O7におけるトポロジカルホール効果として検出することに成功した。
これらの成果をまとめ、現在論文を執筆中であり、当初の研究計画から大幅な変更があったものの、順調に研究は進展したと判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
現状の最大の課題は、トポロジカルホール効果がヘテロ界面誘起で発生することの証明である。そのためには、何nm程度のBi2Rh2O7薄膜がDy2Ti2O7の磁気構造を写し取っているのかを調べる必要がある。膜厚傾斜膜を作製することで、同一の電気伝導性を保ちながら膜厚を変調し、トポロジカルホール伝導度の変化を系統的に調べることで、磁気侵入長を明らかにする。また、パイロクロア型酸化物には、Dy2Ti2O7で実現しているスピンアイス以外にも、量子スピン液体や、量子スピンアイスなどの磁気相が確認されている。そのため、磁性絶縁体層を変更することで、それらの磁気相の量子性に由来する揺らぎがトポロジカルホール効果に与える影響を調べる。
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