2024-01-23 東京大学
発表のポイント
- スピネル化合物MnSc2S4の反強磁性スキルミオン相において、その複雑な磁気構造に由来する「創発非可換ゲージ場」からマグノン熱ホール効果(熱流が磁場によって曲げられる現象)が現れることを理論と実験の両面から明らかにしました。
- これまで熱ホール効果の主要因は、通常の磁場と同じ性質を持つ創発型のU(1)ゲージ場と考えられていました。今回、新たなSU(3)と呼ばれる創発ゲージ場が、非可換性という量子力学的な性質を示して絡み合うことによって磁気的なキャリアの軌道を曲げる機構を明らかにしました。
- これまで熱ホール効果が現れないと考えられていた多くの物質群においても新たな機構のもとで熱ホール効果が実現する可能性を指摘し、物質科学における磁気構造のトポロジー効果の解明や磁性を用いた熱流の制御の実現にもつながると期待されます。
マグノン熱ホール効果の要因となるSU(3)磁束をもつ反強磁性スキルミオン
発表概要
東京大学物性研究所の武田晃助教、山下穣准教授、Technical University of Munichの川野雅敬研究員（研究当時：東京大学大学院総合文化研究科）、東京大学大学院総合文化研究科の堀田知佐教授らの研究グループは、京都大学大学院工学研究科、大阪大学大学院理学研究科の研究グループと共同で、スピネル化合物絶縁体MnSc2S4の反強磁性スキルミオン相（注1）におけるマグノン熱ホール効果（注2，3）の観測に初めて成功し、その起源が創発非可換SU(3)ゲージ場（注4）と呼ばれるこれまで直接観測されたことのない創発磁場（注5）であることを明らかにしました。
本研究成果は、従来の研究で考慮されていなかった物質においてもマグノン熱ホール効果が実現する可能性を示唆しています。熱を運ぶ磁気的なキャリアを制御する新たな機構の一端を明らかにしたことによって、今後の熱輸送の研究の発展や物性の開拓につながることが期待されます。
本研究成果は、2024年1月23日（英国時間）に英国科学雑誌「Nature Communications」オンライン版に掲載されました。
発表内容
物質の電流を制御するメカニズムの理解は、現代のデバイス技術の基盤をなしていますが、電流に伴うジュール熱の発生は、デバイス設計における重大な障壁です。これに対し、ジュール熱の発生を伴わない絶縁体における磁気的なキャリアを使った情報伝達技術の研究が進められています。
一般に電気伝導におけるホール効果は、電荷が磁場によってローレンツ力（注6）を受け、軌道が曲がることで生じます。一方、絶縁体中を伝搬する主要なキャリアとして、スピン（ミクロな磁石）の量子的なゆらぎを表すマグノンという粒子が知られています。マグノンは電子の代わりに熱やスピンを運びますが、電荷をもたないため電子のような磁場によるローレンツ力を受けません。しかし、磁性体中では、物質内のスピン間相互作用や磁気構造によって創発磁場と呼ばれる仮想的な磁場が現れることがあります。このような創発磁場はマグノンの軌道を曲げて、熱伝導に熱ホール効果という現象をもたらします。
これまで盛んに研究されていた創発磁場は複素数で記述されるU(1)ゲージ場と呼ばれるものです。2つの複素数は交換しても値が変わらないため、これは可換ゲージ場と呼ばれています。ところが正方格子や三角格子などの辺共有の格子構造をもつ物質では、このような複素磁場は周期的に互い違いに並んでしか生じえないため、これらが互いに打ち消しあって熱ホール効果が現れないと考えられていました。そのため従来のマグノン熱ホール効果の研究は、主にカゴメ格子やパイロクロア格子などの角共有の格子構造をもつ物質に限定されていました。
本研究では、Mn原子がダイヤモンド構造を形成するスピネル化合物MnSc2S4に着目しました（図1a）。この物質に磁場を加えると、低温でMn原子上の電子スピンが反強磁性スキルミオン相と呼ばれる磁気秩序状態が生じます（図1b）。この相では、ダイヤモンド格子内にある三角格子上のスピンが、3つの副格子を形成し、それぞれの副格子が大きな渦構造で表される強磁性スキルミオン（図1c）を形成しています。MnSc2S4の熱伝導度を測定したところ、反強磁性スキルミオン相の現れる磁場領域において熱ホール伝導が観測されました（図2a）。 そこで、通常の熱伝導度の測定や理論計算を行うことにより、観測された有限の熱ホール伝導度が磁気的なキャリアであるマグノンに由来することを明らかにしました。
図1：MnSc2S4における反強磁性スキルミオン格子相
(a) MnSc2S4におけるMn2+イオンが作るダイヤモンド格子構造。青で塗られた面においてMn2+イオンが三角格子を形成します。
(b) 青面の三角格子上で実現する反強磁性スキルミオン構造。3つのスキルミオン構造は互いに異なった方向を向いた反強磁性秩序を形成しています。
(c) 三角格子の3つの副格子のうちの1つで実現する強磁性スキルミオン構造。
図2：MnSc2S4における熱ホール伝導度と創発SU(3)ゲージ場
(a) 熱ホール伝導度の磁場依存性。反強磁性スキルミオン格子相が実現する磁場領域において有限の熱ホール伝導度が観測されます。
(b) U(1)ゲージ場とSU(3)ゲージ場の違い。U(1)ゲージ場によって生じる仮想的な磁束は互い違いのパターンを形成し、系は熱ホール効果を禁止する対称性を有します。一方でSU(3)ゲージ場によって生じる仮想的な磁束は一様であり、そのような対称性を破ります。
MnSc2S4は、従来のU(1)ゲージ場に基づく理論では熱ホール効果が現れないはずの三角格子構造をもつため、なぜ熱ホール伝導度が生じるかが説明できません。そこで本研究では、この物質の詳細を採り入れたモデル計算によって実際に熱ホール伝導が生じることを示すとともに、場の理論を用いた解析を行い、その発現機構を明らかにしました。3つのスキルミオンはそれぞれU(1)ゲージ場を形成しますが、これらが量子力学的に絡み合い、非可換性（順序を交換すると新しい寄与が生じる性質）をもつ創発SU(3)ゲージ場という新たなゲージ場が出現します。この非可換性により、創発SU(3)ゲージ場は打ち消しあうことのない一様な磁束を生成し（図2b）、従来の創発U(1)ゲージ場では不可能であった三角格子などの辺共有構造をもつ物質にも熱ホール効果をもたらすことを明らかにしました。
本研究成果は、熱ホール効果を示す物質群の探索の指針となり、磁気構造のトポロジー効果を用いた熱流の制御の実現にもつながると期待されます。
発表者・研究者等情報
東京大学 大学院総合文化研究科
堀田 知佐 教授
東京大学 物性研究所
武田 晃 助教
山下 穣 准教授
論文情報
雑誌：Nature Communications
題名：Magnon thermal Hall effect via emergent SU(3) flux on the antiferromagnetic skyrmion lattice
著者：Hikaru Takeda*, Masataka Kawano*, Kyo Tamura, Masatoshi Akazawa, Jian Yan, Takeshi Waki, Hiroyuki Nakamura, Kazuki Sato, Yasuo Narumi, Masayuki Hagiwara, Minoru Yamashita, and Chisa Hotta
DOI：10.1038/s41467-024-44793-3
研究助成
本研究は、科研費「基盤研究（B）（課題番号：JP19H01848）」、「学術変革領域研究(A)（課題番号：JP21H05191）」、「基盤研究（C）（課題番号：JP21K03440）」、「基盤研究（B）（課題番号：JP21H01035）」、「基盤研究（S）（課題番号：JP17H06137）」、「日本学術振興会海外特別研究員制度」の支援により実施されました。
用語説明
（注1）強磁性・反強磁性スキルミオン構造、スキルミオン相
強磁性・反強磁性スキルミオンが周期的に配列した構造、およびそのような構造が実現する物質相のこと。スキルミオンとはスピンが渦状に配列した構造です。強磁性スキルミオンではスピンの向きが空間的に緩やかに変化しています。一方で反強磁性スキルミオンでは、局所的にはスピンはなるべく反対方向を向くように配列します（反強磁性秩序）。もとの格子を副格子と呼ばれるグループに分けると、各副格子上では強磁性スキルミオンが実現しています。
（注2）マグノン
磁性体中のスピン（ミクロな磁石）のゆらぎを表す仮想的な量子力学的粒子。マグノンは絶縁体中を伝搬することができ、熱やスピンを運びます。
（注3）熱ホール効果
温度勾配と垂直方向に流れる熱流。熱流の曲がり具合を表します。
（注4）可換・非可換ゲージ場
ここでは創発磁場を表すポテンシャルを指します。可換ゲージ場は複素数で表されます。そのため2つのゲージ場同士は交換しても値が変わりません。U(1)ゲージ場は可換ゲージ場です。一方で非可換ゲージ場は行列で表されます。行列は一般に交換すると値が変わるため非可換と呼ばれています。SU(3)ゲージ場は3×3の行列で表される非可換ゲージ場です。
（注5）創発磁場
物質内にあるスピン間相互作用や磁気構造から生じる仮想的な磁場。マグノンは電荷をもたないため外部磁場由来のローレンツ力を受けませんが、仮想磁場由来の力は受けます。
（注6）ローレンツ力
電磁場中を運動する荷電粒子が受ける力。荷電粒子の速度と磁場の両方に対して垂直な方向に働きます。そのため、磁場を印加することで電子などの荷電粒子の運動を曲げることができます。
