2023-06-14 東北大学
〇金属材料研究所 准教授 藤原宏平
金属材料研究所 教授 塚﨑敦
【発表のポイント】
- 結晶ではホットな研究テーマであるバンドトポロジー（注１）について、これまで研究の対象外であったアモルファスでの評価に取り組みました。
- 鉄（Fe）とスズ（Sn）のアモルファス薄膜でも結晶と同等の巨大な異常ホール効果および異常ネルンスト効果（注２）を観測し、その機構としてトポロジカルな電子状態の寄与を初めて解明しました。
- アモルファスベースの高性能磁気センサや熱流センサの実現に向けての前進が期待されます。
【概要】
近年トポロジー（数学の分野である位相幾何学）の観点から固体の物性を理解し、素子に応用しようとするトポロジカル物質科学が注目を集めています。トポロジカルな物性の発現には、結晶中の周期的な原子の並びによる長距離の結晶秩序（注３）と、それと表裏一体の電子のバンド構造（注４）が重要と考えられています。これに対し、原子の周期性が短距離にしか存在しないアモルファス状態は、トポロジカル物質の際立った物性を引き出すことに不向きと考えられていました。
東北大学金属材料研究所の藤原宏平准教授と塚﨑敦教授、東京大学大学院工学系研究科の加藤康之講師と求幸年教授、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の阿部仁准教授らの研究グループは、鉄とスズのアモルファス薄膜を用いた実験とモデル計算で、主に結晶で議論されてきたバンドトポロジーの概念が、各種応用に適したアモルファス状態でも有効であることを初めて明らかにしました。本研究ではアモルファス薄膜中のごく短距離の原子の秩序が寄与することで、結晶と同等の巨大な異常ホール効果および異常ネルンスト効果が生じることを実証することに成功しました。
この成果はトポロジカル物質の枠組みを大きく広げるだけでなく、結晶よりも安価に作製できるアモルファス薄膜を活用した素子の開発にも貢献し、ひいてはモノのインターネット（IoT）の実現に向けたセンシング技術の高度化にも寄与すると期待されます。本研究成果は2023年6月13日（英国夏時間）に、科学誌Nature Communicationsオンライン版に掲載されました。
図1. 結晶とアモルファスの模式図。長距離秩序を有する結晶（単結晶・多結晶試料）では、電子のエネルギーと波数の関係（バンド）が定義され、電子の存在するエネルギー上限値であるフェルミ準位とバンドの位置関係が物性を特徴づける。一方、長距離秩序のないアモルファスでは定義が難しい。
【用語解説】
注1. バンドトポロジー 固体中での電子の運動を特徴づけるバンド構造の幾何学的性質の一種。トポロジカル物質と呼ばれる物質群は、従来の金属や半導体とは異なるバンドトポロジーをもつ。物性物理学と数理科学のアプローチにより、その理解が進められている。
注2. 異常ホール効果と異常ネルンスト効果 試料のx方向に通電した状態でz方向に磁場を印加すると、ローレンツ力により電子の運動方向が捻じ曲げられ、y方向に電圧（ホール起電力）が生じる現象を（正常）ホール効果と呼ぶ（x, y, zは直交座標系とする）。磁性体では、これに磁化の寄与が加わり、異常ホール効果と呼ばれる。その熱流版として、試料に温度勾配を印加したときに、温度勾配と試料の磁化の両方に直交する方向に電位勾配が生じる現象を異常ネルンスト効果と呼ぶ。これらの効果はそれぞれ、磁気センサや熱流センサの原理として用いることができる。強磁性のトポロジカル半金属では、特殊な電子状態に起因して、巨大な異常ホール効果および異常ネルンスト効果が生じる。
注3. 長距離の結晶秩序 結晶を特徴づける原子やイオンの周期的な配列。長距離秩序の観測されない場合に一般にアモルファスと分類されるが、物質によっては最近接原子間距離程度の短距離秩序が生じる場合がある。
注4. バンド構造 周期的な原子・イオン配列が存在する場合、電子の運動を波数（波長の逆数）で記述することができる。無数の原子・イオンから成る固体では、電子の存在が許されるエネルギー状態が波数に依存して、バンド（帯）として出現し、その性質が諸物性を決定する。この基本的な考えはトポロジカル物質の物性理解にも適用されている。周期的な原子・イオン配列が存在しないアモルファスには、この概念を直接適用することができない。
問い合わせ先
（研究に関すること）
東北大学金属材料研究所 低温物理学研究部門
准教授 藤原 宏平
教授 塚﨑 敦
（報道に関すること）
東北大学金属材料研究所 情報企画室広報班
