高伝導金属における異常ホール効果を理解する理論を提唱~電子の量子位相干渉と磁気相関の協奏効果を理論的に解明~

2025-12-24 東京科学大学

東京科学大学と学習院大学の研究グループは、高伝導度磁性金属における異常ホール効果の複雑な温度・磁場依存性を説明する新たな理論を提唱した。スキルミオンなどのカイラル磁気構造による電子散乱において、電子波の量子位相干渉と磁気相関の協奏効果に着目し、異常ホール伝導度の一般公式を導出した。その結果、ホール効果が電子のフェルミ波長に応じて振動し、符号反転することを理論的に示した。さらに、近接・遠距離スピン相関の競合やスピン相関自体の非単調な温度依存性が、実験で観測される非単調な温度依存性や符号反転の起源であることを明らかにした。本理論は、磁性金属の輸送特性に明瞭な物理的描像を与え、スピントロニクスや磁性量子デバイス設計への貢献が期待される。

高伝導金属における異常ホール効果を理解する理論を提唱~電子の量子位相干渉と磁気相関の協奏効果を理論的に解明~
図1. 2重スリットによる光の干渉縞(上)と磁気散乱による電子波の位相干渉効果(下)。
2重スリットの実験では、それぞれのスリットを通った光の干渉により縞模様が生じる。磁気散乱では、それぞれのスピンで散乱された電子波の干渉により電子の軌道が曲がり、上方向に飛んでいく。

<関連情報>

高伝導性金属におけるカイラリティ関連異常ホール効果の符号反転と非単調性 Sign Reversal and Nonmonotonicity of Chirality-Related Anomalous Hall Effect in Highly Conductive Metals

Ryunosuke Terasawa, Masafumi Udagawa, and Hiroaki Ishizuka
Physical Review Letters  Published: 16 December, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/v97v-wpyx

Abstract

The nonmonotonic temperature dependence and sign reversal of chirality-related anomalous Hall effect in highly conductive metals are studied. Through the analysis of scattering rate, we find that the nonmonotonicity and sign reversal have two major origins: (1) competition between the contribution from short-range and long-range spin correlations and (2) nonmonotonic spin correlation in the high field. The former mechanism gives rise to nonmonotonic temperature dependence in a wide range of electron density and, in some cases, a sign reversal of Hall resistivity as the temperature decreases. On the other hand, the latter mechanism is responsible for the sign reversal of Hall conductivity in the high field, which sign reversal generally occurs in magnets with antiferromagnetic interactions. The results demonstrate how the Hall effect reflects local spin correlation and provide insights into the mechanism of nonmonotonicity and sign reversal of the anomalous Hall effect by spin chirality.

1701物理及び化学
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