キラル磁性体CoNb3S6における自発ネルンスト効果の観測 ~トポロジカルスピン構造による効率的エネルギー変換技術へ~

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2025-03-26 理化学研究所,東京大学,科学技術振興機構

理化学研究所(理研)と東京大学の国際共同研究グループは、キラル磁性体「CoNb₃S₆」において、大きな自発ネルンスト効果を観測しました。この物質は、キラルな結晶構造と反強磁性秩序を持ち、創発磁場を生成します。その結果、正味の磁化がほぼゼロであるにもかかわらず、大きなネルンスト電圧が発生することが確認されました。この発見は、トポロジカル量子物質の研究において重要な進展であり、次世代のエネルギー変換技術や情報技術への応用が期待されます。

<関連情報>

キラル格子反強磁性体CoNb3S6におけるギャップ節点面と大きなトポロジカルネルンスト効果 Gapped nodal planes and large topological Nernst effect in the chiral lattice antiferromagnet CoNb3S6

Nguyen Duy Khanh,Susumu Minami,Moritz M. Hirschmann,Takuya Nomoto,Ming-Chun Jiang,Rinsuke Yamada,Niclas Heinsdorf,Daiki Yamaguchi,Yudai Hayashi,Yoshihiro Okamura,Hikaru Watanabe,Guang-Yu Guo,Youtarou Takahashi,Shinichiro Seki,Yasujiro Taguchi,Yoshinori Tokura,Ryotaro Arita &Max Hirschberger
Nature Communications  Published:26 March 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-57320-9

キラル磁性体CoNb3S6における自発ネルンスト効果の観測 ~トポロジカルスピン構造による効率的エネルギー変換技術へ~

Abstract

The electronic structure of compensated antiferromagnets (CAF) creates large functional responses, reminiscent of ferromagnets and suitable for data storage and readout, despite (nearly) net-zero spontaneous magnetization. Many experimental signatures of CAF – such as giant thermoelectric Nernst effects – should be enhanced when two or more electronic bands are nearly degenerate in vicinity of the Fermi energy. Here, we report a zero-field, thermoelectric Nernst effect  >1 μV/K in the CAF CoNb3S6 despite its tiny net magnetization  ~2 milli − μB. As drivers of the functional Nernst and Hall effects, we identify near-degeneracies of electron bands at the upper and lower boundaries of the first Brillouin zone, which are vestiges of nodal planes enforced by a screw axis symmetry in the paramagnetic state. Hot spots of emergent, or fictitious, magnetic fields are formed at the slightly gapped nodal planes. Taking into account more than six hundred Wannier orbitals, our theoretical model reproduces the observed spontaneous Nernst effect, emphasizes the role of proximate spin-space group symmetries and nodal planes for the electronic structure of CAF, and demonstrates the promise of ab-initio search for functional responses in a wide class of materials with reconstructed unit cells (supercells) due to spin or charge order.

1700応用理学一般
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