2022 Fiscal Year Research-status Report
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
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22K03533
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| Research Institution | Toho University |
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Principal Investigator |
田嶋 尚也 東邦大学, 理学部, 教授 (40316930)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
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。
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| Strategy for Future Research Activity |
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。
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| Causes of Carryover |
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。
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