高伝導性フラストレート磁性体における巨大ホール効果~磁性体における異常ホール効果の新しい発現機構を実証~

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2025-06-20 理化学研究所,日本原子力研究開発機構,総合科学研究機構

理化学研究所らの国際共同研究グループは、GdCu₂というひずんだ三角格子構造を持つ高伝導性磁性体において、「巨大ホール効果」を発見しました。通常の10~100倍に達するホール伝導率を示し、符号反転や複雑な磁場依存性が観測されました。これは、強磁場下で生じる局所的な非共面スピン構造のゆらぎとともに、高移動度マルチキャリアおよび電子状態変化による新しい電子散乱機構によって引き起こされます。これにより、異常ホール効果における新たな発現機構が実証され、物質の電子輸送現象と磁気相互作用の理解、および高感度磁気センサー材料研究に貢献します。成果は『npj Quantum Materials』(2025年6月6日オンライン)に掲載されました。

高伝導性フラストレート磁性体における巨大ホール効果~磁性体における異常ホール効果の新しい発現機構を実証~
局所的な非共面スピン構造がもたらす巨大ホール効果の模式図

<関連情報>

高導電性フラストレート磁性体GdCu2における巨大ホール効果 Giant Hall effect in a highly conductive frustrated magnet GdCu2

Kosuke Karube,Yoshichika Ōnuki,Taro Nakajima,Hsiao-Yi Chen,Hiroaki Ishizuka,Motoi Kimata,Takashi Ohhara,Koji Munakata,Takuya Nomoto,Ryotaro Arita,Taka-hisa Arima,Yoshinori Tokura &Yasujiro Taguchi
npj Quantum Materials  Published:06 June 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41535-025-00774-3

Abstract

The Hall effect is one of the most fundamental but elusive phenomena in condensed matter physics due to the rich variety of underlying mechanisms. Here we report an exceptionally large Hall effect in a frustrated magnet GdCu2 with high conductivity. The Hall conductivity at the base temperature is as high as the order of 104–105 Ω−1 cm−1 and shows abrupt sign changes under magnetic fields. Remarkably, the giant Hall effect is rapidly suppressed as the longitudinal conductivity is lowered upon increasing temperature or introducing tiny amount of quenched disorder. Our systematic transport measurements combined with neutron scattering measurements, ab initio band calculations and spin model calculations indicate that the unusual Hall effect can be understood in terms of spin-splitting induced emergence/disappearance of Fermi pockets as well as skew scattering from spin-chiral cluster fluctuations in a field-polarized state. The present study demonstrates complex interplay among magnetization, spin-dependent electronic structure, and spin fluctuations in producing the giant Hall effect in highly conductive frustrated magnets with a distorted triangular lattice.

1701物理及び化学
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