非磁性材料における異常ホール効果の観測~スピン磁化がなくても電子は曲がる~

2025-09-03 東京科学大学

東京科学大学の研究チームは、非磁性材料であるディラック半金属Cd₃As₂において、これまで磁性材料特有とされてきた異常ホール効果を初めて定量的に観測した。分子線エピタキシー法で作製した高品質薄膜を用い、面内磁場下で電気伝導を精密測定した結果、3回回転対称性や非単調な磁場依存性といった特徴的な挙動が確認され、軌道磁化に起因する異常ホール効果が顕著に現れることが実証された。特に異常ホール角は2.4%と極めて高い値を示し、理論的にも通常の面直磁場による効果を上回りうることが示唆された。この成果は「非磁性材料では異常ホール効果は現れない」という従来の常識を覆す発見であり、軌道磁化に基づく新しい電子物性研究の道を開くとともに、高感度ホールセンサなど次世代デバイスへの応用が期待される。論文は Physical Review Letters に掲載された。

非磁性材料における異常ホール効果の観測~スピン磁化がなくても電子は曲がる~
図1.従来の非磁性材料における正常ホール効果(左)・磁性材料における異常ホール効果(中央)と、面内磁場によって新たに明らかになった非磁性材料における異常ホール効果(右)。

<関連情報>

面内磁場によるディラック半金属Cd₃As₂の異常ホール効果の観測 Anomalous Hall Effect in the Dirac Semimetal Cd3⁢As2 Probed by In-Plane Magnetic Field

Shinichi Nishihaya, Hiroaki Ishizuka, Yuki Deguchi, Ayano Nakamura, Tadashi Yoneda, Hsiang Lee, Markus Kriener, and Masaki Uchida
Physical Review Letters  Published: 2 September, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/5d7l-mr7k

Abstract

Intrinsic anomalous Hall effect (AHE) formulated by geometric properties of Bloch wave functions is a ubiquitous transport phenomenon not limited to magnetic systems but also allowed in nonmagnetic ones under an external field breaking time-reversal symmetry. On the other hand, detection of field-induced AHE is practically challenging because the band modulation through the Zeeman and spin-orbit couplings is typically small compared to other contributions as induced by the Lorentz force. Here, we demonstrate on Dirac semimetal Cd3⁢As2 films that the field-induced AHE in nonmagnetic systems can be quantitatively probed by applying and rotating the magnetic field within the Hall deflection plane. Measurements on the Cd3⁢As2 (112) plane reveal that AHE emerges as a clear threefold symmetric component for the in-plane field rotation. This intrinsic response becomes more pronounced in ultralow-electron-density films where significant variations in the geometric properties are expected under the magnetic field. Our findings open new opportunities in the research of Hall responses manifested as orbital magnetization in nonmagnetic systems.

 

1701物理及び化学
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