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2025年6月20日 理化研究所 日本原子能研究開發機構 綜合科學研究機構 高傳導性推力磁體中的巨霍爾效應 -證實了磁性體中異常霍爾效應的新表達機制- 理化學研究所(理研)創發物性科學研究中心創發功能磁性材料研究單元總監輕部皓介、強相關物質研究組總監田口康二郎、計算物質科學研究組總監有田亮太郎、強相關量子結構研究組總監有馬孝尚、 強相關物性研究小組總監十倉好紀、日本原子能研究開發機構J-PARC中心的大原高志研究主干、綜合科學研究機構中子科學中心的宗像孝司副主任技師等的聯合研究組具有高傳導性推力磁性體[1]中發現了在磁場中顯示出明顯變化的巨大霍爾效應(磁場下電子軌道彎曲的現象)。 期待本研究成果為理解磁性體中霍爾效應的復雜物理機制做出貢獻。 這次，共同研究小組發現了變形的三角格子GdCu2著眼于具有的推力磁性體，縱傳導率[2]的優質單晶，相當于大多數磁性體中常見的普通值的10~100倍霍爾傳導率[3])，發現呈現出伴隨符號反轉的復雜磁場變化。 該巨大霍爾效應是由于電子狀態的急劇變化和局部的非共面自旋結構[4]表明可以用的波動帶來的新的電子散射機制來解釋。 本研究根據科學雜志《npj quantum材料》刊登在了在線版( 6月6日)上。 局部非共面自旋結構帶來的巨霍爾效應的示意圖 背景 磁性體中的霍爾效應從其豐富多彩的表達機制和應用于高性能磁傳感器的觀點來看，近年來在物性物理學中得到了積極的研究。 霍爾效應眾所周知的有傳導電子因外部磁場受到洛倫茲力而軌道彎曲的通常的“正常霍爾效應”，和像強磁性體一樣因磁化的存在而軌道彎曲的“異常霍爾效應”。 最近的研究表明，異常霍爾效應不限于具有宏觀磁化的鐵磁體，可以用各種磁性體中由物質固有電子狀態決定的虛擬磁場引起的“內源性機制”來解釋。 另一方面，關于異常霍爾效應，在鐵的薄膜等傳導性非常高的磁性體中，由于少量的雜質，傳導電子根據作為自身具有的小磁鐵的性質的自旋方向而非對稱地散射的“外因性機制”也早已為人所知。 近年來，理論上提倡局部自旋的非共面局部結構的擺動產生與上述雜質散射機制同樣的異常霍爾效應，受到了極大的關注。 然而，這種新型電子散射機制需要兼顧高縱傳導率和非共面自旋結構，迄今實驗研究僅限于極少的物質。 研究方法和成果 本研究為GdCu2我們著眼于( Gd :釓、Cu :銅)這種由不同金屬構成的化合物(金屬間化合物)。 這個物質組成了Gd變形的三角格子，幾何學上的挫折[1]顯示了三角晶格上相鄰自旋在角度120度時穩定的磁有序(圖1(a ) )。 當對在該三角晶格上實現面內角度120度的自旋結構垂直地施加外部磁場時，自旋彼此形成的立體角逐漸變窄，經過在6特斯拉( t :磁通密度的單位)和8T時磁化急劇增大的磁相變，不久在10T以上，幾乎所有的自旋都向同一方向一致的強制 圖1 GdCu2的應變三角晶格和自旋結構的示意圖 ( a )零磁場下面內角度120度自旋結構。 ( b )面直磁場下強制鐵磁狀態。 用藍色虛線表示通過向面內方向稍微傾斜的自旋局部生成非共面自旋結構的情況。 聯合研究小組發現，GdCu在低溫下顯示出非常高的縱向傳導率2的優質單晶，通過中子衍射實驗，證實了磁場中磁化的急劇增大只是自旋的立體角變化，磁結構的周期模式沒有變化。 根據這一特征性的自旋結構變化，接下來，進行了最大24T的強磁場霍爾效應測量。 結果，在低溫下為10次方10的5次方-1廣告-1( :歐姆。 電阻單位)數量級的巨大霍爾電導率被觀測到(圖2 )。 該霍爾傳導率顯示出復雜的磁場依賴性，進入磁化在6T和8T增大的磁相中時急劇減少，符號逆轉為負，再進入10T以上的強制鐵磁性相時再次顯示出巨大的正峰值。 另外，研究人員發現，如果提高溫度，或者在試樣中加入輕微的原子結構混亂，降低縱傳導率，這種巨大霍爾傳導率就會急劇受到抑制。 在通常內源性異常霍爾效應中，霍爾傳導率最大為10的平方10的三次方-1廣告-1因為是數量級，幾乎不依賴于原子結構的混亂，所以這些實驗結果無法用內因性機制進行說明。 GdCu2のホール伝導率の図 圖2 GdCu2的霍爾傳導率 2開爾文( k :絕對溫度單位)、6K、10K、14K各溫度下霍爾電導率的磁場依賴性。 黑色虛線表示強制鐵磁性的相界。 聯合研究組為了弄清這一巨大霍爾效應的起源，進行了以下理論考察。 首先，第一原理計算[5]通過基于的能帶計算，由于磁化的增大自旋分裂[6]一旦發生，就會出現新的費米面[6]我知道會出現。 從該結果可知，在中間磁場區域急劇下降的巨大霍爾傳導率根據磁相而急劇變化高遷移率多載波[7]中所述情節，對概念設計中的量體執行面積分析。 另外一方面，強制鐵磁性相正的峰結構僅用高遷移率多載流子無法說明，有效自旋模型計算[8]表明，可以用鐵磁狀態下局部非共面自旋結構的漲落(圖1(b ) )引起的電子散射機制進行解釋。 另外，在通常的三角晶格中，來自非共面自旋結構的空穴傳導率會在相鄰的三角形之間抵消，但GdCu2明確了在的變形三角格子中不完全抵消而是變得有限。 這次是GdCu2中觀測到的由非共面自旋結構的擺動引起的異常霍爾電導率，比迄今為止的具有原子像籠的網眼一樣排列的籠形晶格和鏡像不重疊的手性晶格的推力磁體報告的值更大(圖3 )。 這可以說是高遷移率多載流子和非顯而易見的自旋結構協奏帶來的新的突發輸運現象。 圖3異常霍爾電導率和縱向電導率縮放圖 本研究的GdCu2的強制鐵磁相中觀測到的異常霍爾電導率的數據點為黃色，手性磁性體MnGe薄膜及可編程磁性體KV3Sb5中報道的數據點分別為橙色和綠色，Fe薄膜雜質散射(外源異常霍爾效應)的數據點為藍色，許多磁體符合的內源性異常霍爾效應區域為灰色。 今后的期待 本研究成果強烈支持了理論上提倡的非共面自旋結構帶來的新電子散射機制。 今后，我們將對擴大高傳導性扁平磁性體復雜霍爾效應微觀機制的理解和研究做出巨大貢獻。 補充說明 1.推力磁性體，幾何學推力 幾何學推力是指位于三角形頂點的自旋之間相互反平行的相互作用等幾何學上相互作用相抗衡的狀態。 由于挫折感(自旋排列不穩定性)，相互平衡的自旋結構(如面內角度120度結構)可能會變得穩定。 這種拮抗的磁相互作用起作用的物質統稱為推力磁性體。 2.縱傳導率 表示與施加電流平行方向上的載流子(電子或空穴)電導率的物理量。 相當于電阻率的倒數。 3.霍爾傳導率 表示載流子在與施加電流和施加磁場垂直的方向上的電導率的物理量。 相當于霍爾電阻率除以電阻率的平方的值。 4.非共面自旋結構 三個自旋彼此方向不同，具有立體角的結構。 可以用標量自旋手性這一物理量來描述，是直接關系到異常霍爾傳導率等的重要原因。 5.第一原理計算 基于量子力學直接計算物質性質的方法。 在該計算方法中，不使用實驗數據和經驗參數，而只根據基本的物理定律(量子力學的原理)來預測物質的電子結構和物性。 具體而言，利用薛定諤方程和作為其近似解的密度泛函理論等，計算原子和分子的相互作用。 第一原理計算可以高精度地預測物質的電子結構和能量狀態、能帶結構、化學反應等，對新材料的設計和未知物質的特性分析非常有用。 6.自旋分裂，費米面 費米表面對應于動量空間中被電子占據和未被電子占據的能量邊界。 自旋分裂是指受磁場的影響，自旋向上和向下的一方的能量下降(上升)，由此有時會生成(或消失)新的費米面。 7.高遷移率多載波 半導體可以由單個載流子處理，正常霍爾效應的直線與磁場成比例的斜率由載流子濃度決定。 另一方面，金屬的情況下，由于存在復雜的費米面，因此大多會變成具有多個載流子的多載流子狀態。 特別是GdCu2的情況下，除了多載波之外，遷移率(載流子的運動容易度)也非常高，因此正常霍爾效應的磁場依賴性也變得復雜。 8.有效自旋模型計算 為了簡潔地描述復雜的自旋系統，將實際自旋之間的相互作用近似建模進行計算的方法。 聯合研究組 理化學研究所創發物性科學研究中心 創發功能磁性材料研究單元 單元領導輕部皓介 強相關物質研究組 集團總監田口康二郎(田口康二郎) 計算物質科學研究小組 球隊總監有田亮太郎(亞里達龍太郎) (東京大學研究生院理學系研究科物理學專業教授) 基礎科學特別研究員(研究當時，現客座研究員)程曉怡( Hsiao-Yi Chen ) (現任東北大學金屬材料研究所金屬物性論研究部門助教) 強相關量子結構研究組 集團總監有馬孝尚(阿里瑪塔·卡希薩) (東京大學研究生院新領域創建科學研究科教授) 客座研究員中島多朗 (東京大學物性研究所附屬中子科學研究設施副教授) 強相關物性研究小組 集團總監十倉好紀(龍珠) (東京大學卓越教授/東京大學國際高等研究所) 強相關量子傳導研究小組 客座主管研究員大貫惇睦 東北大學金屬材料研究所磁物理學研究部門 副教授(研究當時)木俁基 (現日本原子能研究開發機構原子能科學研究所尖端基礎研究中心研究副主管) 東京科學大學理學院 副教授石冢大晃(石冢大晃) 日本原子能研究開發機構J-PARC中心 研究主干大原高志 綜合科學研究機構中子科學中心 副主任技師宗像孝司 東京大學尖端科學技術研究中心 講師(研究當時)野本拓也(野本拓也) (現東京都立大學研究生院理學研究科物理學專業副教授) 研究支援 本研究由理研TRIP倡議(多電子集團，AGIS )實施，日本學術振興會( JSPS )科學研究費資助事業基礎研究( b )“基于對稱性和混亂的新拓撲磁性和創造功能的開拓(研究代表者:輕部皓介、 23K26534 )”“矢量強磁場高壓下熱測量闡明的三重態超導多相的各向異性和貝利相位物性(研究代表者:木俁基，23K22447 )”，同學術轉型領域研究( a )“手性分子誘發的新型超導功能的測量與闡明(研究代表者:木俁基) 23H04014 )“通過精密物性測量開拓不對稱量子物質的新功能(研究代表者:柳澤達也、23H04868 )”“光誘導強相關FET中自旋極化費米面的檢測和局域-非局域轉移的闡明(研究代表者:木俁基、21H05470 該國際聯合研究加速基金(海外聯合研究)“通過尖端熱測量技術的國際聯合開發新開展強磁場科學(研究代表者:小濱芳允，23KK0052 )”，同基礎研究( a )“自旋谷耦合的超高易度狄拉克電子的新奇非相反非線性傳導現象的開拓(研究代表者:酒井英明) 同基礎研究( s )“含鈾的強相關拓撲自旋三重態超導的物理(研究代表者:青木大學，22H04933 )”、科學技術振興機構( JST )戰略性創造研究推進事業CREST「Beyond Skyrmion”為目標的新拓撲磁性科學的創造 由該開創性的研究支援事業“超室溫拓撲磁性材料的創造(研究代表者:輕部皓介，JPMJFR235R )”資助進行。 本研究的強磁場實驗通過東北大學金屬材料研究所的共同研究( 202311-HMKPA-0001 )實施。 另外，J-PARC物質生命科學實驗設施( MLF )的中子衍射實驗是通過J-PARC一般課題( 2022B0259 )進行的。 原論文信息 Kosuke Karube，Yoshichika ōnuki，Taro Nakajima，Hsiao-Yi Chen，Hiroaki Ishizuka，Motoi Kimata，Takashi Ohhara，Koji Munakata Ryotaro Arita，Taka-hisa Arima，Yoshinori Tokura，Yasujiro Taguchi，" giant hall effect in a highly conductive frustrated magnet gdcu2", npj quantum材料, 10.1038/s41535-025-00774-3新規タブで開きます |
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