固体中の電子の軌道を曲げる新しい機構の発見～非共面スピン集団がもたらす巨大電子散乱～

2021-01-132021-09-27

2021-01-13 東京大学,理化学研究所,東北大学,科学技術振興機構

ポイント

従来の機構では説明できない巨大な異常ホール効果を観測しました。
その起源が、非共面的な構造を持つスピン集団による電子散乱で説明できる可能性を、多角的な検証実験を通して提唱しました。
今後さまざまな物質において、同じ機構による巨大異常ホール効果の観測が期待でき、省エネルギーデバイスの実現に向けた新たな設計指針につながると考えられます。

伝導電子と磁性との相互作用の結果、電流と垂直方向に電圧が生じる現象は「異常ホール効果」と呼ばれ、基礎・応用の両観点から近年大きな注目を集めています。その起源には、固体中の仮想磁場に由来するものと、不純物からの電子散乱によるものがありますが、近年の固体中の幾何学的位相の概念確立によって、多くの物質で前者の寄与が支配的であることが明らかになったため、電子散乱による機構はあまり注目されてきませんでした。

東京大学大学院工学系研究科の藤代有絵子　大学院生と金澤直也　講師、理化学研究所創発物性科学センターの十倉好紀　センター長らを中心とする研究グループは、東京大学物性研究所の徳永将史　准教授、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦　教授、理化学研究所創発物性科学センターの于秀珍　チームリーダー、東京大学大学院工学系研究科の永長直人　教授、市川昌和　名誉教授、川﨑雅司教授らの研究グループと共同で、カイラル磁性体ＭｎＧｅ（Ｍｎ：マンガン、Ｇｅ：ゲルマニウム）の薄膜において、電子散乱機構に基づく巨大な異常ホール効果を発見しました。この結果を、従来の電子散乱機構によって説明することはできず、熱励起された非共面的なスピン集団が電子を散乱するという、全く新しい機構で理解できる可能性を示しました。特に、異常ホール効果の詳しい温度・磁場依存性や、膜厚制御による磁気異方性に対する変化を調べることで、上記の機構の妥当性を実証しました。

今回の成果により、電子散乱に起因した巨大異常ホール効果の観測が、今後より多くの物質で期待できます。また一般に、ホール電流はエネルギー損失を伴わないため、省電力デバイスの新たな設計指針につながることが期待できます。

本研究成果は、２０２１年１月１２日付で国際科学誌「ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」にオンライン掲載されます。

本研究は、ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業ＣＲＥＳＴ「ナノスピン構造を用いた電子量子位相制御（研究代表者：永長直人）」（ＪＰＭＪＣＲ１８７４）、同ＣＲＥＳＴ「トポロジカル絶縁体ヘテロ接合による量子技術の基盤創成（研究代表者：川﨑雅司）」（ＪＰＭＪＣＲ１６Ｆ１）、日本学術振興会（ＪＳＰＳ）科学研究費補助金特別研究員奨励費「磁気構造のトポロジー制御による電子機能物性の開拓（研究代表者：藤代有絵子）」（ＪＰ１８Ｊ２０９５９）、同基盤研究Ｂ「Ｚａｋ位相制御による表面状態設計とスピントロ二クス機能実現（研究代表者：金澤直也）」（ＪＰ２０Ｈ０１８５９）、同基盤研究Ｂ「トポロジカル熱輸送の低温イメージング分光（研究代表者：豊田新悟）」（ＪＰ２０Ｈ０１８６７）、同新学術領域研究（量子液晶の物性科学）「トポロジカルスピン液晶制御と巨大電子散乱現象（研究代表者：金澤直也）」（ＪＰ２０Ｈ０５１５５）による支援を受けて行われました。

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