極性ワイル半金属における非線形ホール効果

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 23K13057
• 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): 2023-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: トポロジカル物質 / 非線形伝導現象 / ベリー位相 / 量子輸送

研究実績の概要

近年、トポロジカル物質と呼ばれる物質群に大きな注目が集まっており、電子の持つ量子力学的な位相（ベリー位相）に由来する多彩な量子輸送現象が開拓されてきた。これまで線形応答領域を中心に研究が進んできたが、最近ではベリー位相がもたらす非線形応答の可能性が指摘されている。本研究では、空間反転対称性の破れた極性ワイル半金属に着目して、ベリー位相に起因する非線形ホール効果を開拓する。具体的には、極性ワイル半金属RAlSi(R=希土類)を対象として、バルク試料における非線形ホール効果の探索を行う。
これまでにフラックス法を用いることで、NdAlSiやLaAlSi, GdAlSiの単結晶バルク試料の合成に成功した。ラウエX線回折法やエネルギー分散型X線(EDX)分析、抵抗測定を用いて、育成したNdAlSiの品質評価を行った。抵抗測定によりキャリア数と移動度の関係を明らかにし、ワイル電子の寄与が明瞭に観測可能な高品質試料を選出して、非線形応答の観測に向けてデバイス加工を行った。集光イオンビーム(FIB)法を用いて、非線形伝導則手に不可欠な高電流密度を実現可能なマイクロメートルサイズのデバイスを作製した。
これまでの測定において、ポーラー軸であるc軸をホール端子の向きに取った場合において、有限の非線形ホール成分を観測した。ここでは、デバイスに交流電流を印加し、１倍、２倍、３倍の周波数の電圧信号をロックイン測定により検出した。この信号が試料に由来するかどうかの検証を今後行うことが重要である。結晶方位を変更した場合に、非線形ホール信号が結晶の対称性と整合する結果になるかを確認したり、温度依存性を確認することを検討している。また、入力した電流に対して電圧信号が遅れて発生するインダクタンス信号も検出された。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

フラックス法を用いて高品質単結晶RAlSi試料の合成に成功しており、今後のスムーズな研究展開が可能となっている。また、抵抗測定においてキャリア数依存性を精密に調べることで、バンドフィリングの異なる試料の合成にも成功している。加えて、集光イオンビーム法を用いて、マイクロメートルサイズのデバイス加工にも成功した。デバイス試料において、バルク試料の物性応答を再現することを確認しており、デバイス加工のプロセスで試料にダメージが入っていないことを確認した。非線形ホール効果やインダクタンス応答など、創発電場や創発磁場に関連した新規な量子現象が観測されている可能性があり、今後の詳しい研究探索へとつながる結果である。
以上の研究進捗状況を踏まえて、「当初の計画以上に進展している」と言える。

今後の研究の推進方策

今後の研究方針としては、NdAlSiやLaAlSiにおいて観測された非線形ホール効果やインダクタンス応答について、更なる探索および検証が重要である。試料の発熱効果などの外因的な寄与を含めて多角的な検証を行うことにより、磁性ワイル半金属における創発電磁場に起因した新規量子現象の開拓を行っていく。

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 ページ: 1, 12
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.14.021012
• [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