2025年6月20日

理化研究所

日本原子能研究開發(fā)機(jī)構(gòu)

綜合科學(xué)研究機(jī)構(gòu)

高傳導(dǎo)性推力磁體中的巨霍爾效應(yīng)

-證實(shí)了磁性體中異?；魻栃?yīng)的新表達(dá)機(jī)制-

理化學(xué)研究所(理研)創(chuàng)發(fā)物性科學(xué)研究中心創(chuàng)發(fā)功能磁性材料研究單元總監(jiān)輕部皓介、強(qiáng)相關(guān)物質(zhì)研究組總監(jiān)田口康二郎、計(jì)算物質(zhì)科學(xué)研究組總監(jiān)有田亮太郎、強(qiáng)相關(guān)量子結(jié)構(gòu)研究組總監(jiān)有馬孝尚、 強(qiáng)相關(guān)物性研究小組總監(jiān)十倉(cāng)好紀(jì)、日本原子能研究開發(fā)機(jī)構(gòu)J-PARC中心的大原高志研究主干、綜合科學(xué)研究機(jī)構(gòu)中子科學(xué)中心的宗像孝司副主任技師等的聯(lián)合研究組具有高傳導(dǎo)性推力磁性體[1]中發(fā)現(xiàn)了在磁場(chǎng)中顯示出明顯變化的巨大霍爾效應(yīng)(磁場(chǎng)下電子軌道彎曲的現(xiàn)象)。

期待本研究成果為理解磁性體中霍爾效應(yīng)的復(fù)雜物理機(jī)制做出貢獻(xiàn)。

這次，共同研究小組發(fā)現(xiàn)了變形的三角格子GdCu2著眼于具有的推力磁性體，縱傳導(dǎo)率[2]的優(yōu)質(zhì)單晶，相當(dāng)于大多數(shù)磁性體中常見的普通值的10~100倍霍爾傳導(dǎo)率[3])，發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)出伴隨符號(hào)反轉(zhuǎn)的復(fù)雜磁場(chǎng)變化。 該巨大霍爾效應(yīng)是由于電子狀態(tài)的急劇變化和局部的非共面自旋結(jié)構(gòu)[4]表明可以用的波動(dòng)帶來的新的電子散射機(jī)制來解釋。

本研究根據(jù)科學(xué)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(jié)構(gòu)帶來的巨霍爾效應(yīng)的示意圖

背景

磁性體中的霍爾效應(yīng)從其豐富多彩的表達(dá)機(jī)制和應(yīng)用于高性能磁傳感器的觀點(diǎn)來看，近年來在物性物理學(xué)中得到了積極的研究。 霍爾效應(yīng)眾所周知的有傳導(dǎo)電子因外部磁場(chǎng)受到洛倫茲力而軌道彎曲的通常的“正?；魻栃?yīng)”，和像強(qiáng)磁性體一樣因磁化的存在而軌道彎曲的“異常霍爾效應(yīng)”。 最近的研究表明，異常霍爾效應(yīng)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(zhì)固有電子狀態(tài)決定的虛擬磁場(chǎng)引起的“內(nèi)源性機(jī)制”來解釋。

另一方面，關(guān)于異?；魻栃?yīng)，在鐵的薄膜等傳導(dǎo)性非常高的磁性體中，由于少量的雜質(zhì)，傳導(dǎo)電子根據(jù)作為自身具有的小磁鐵的性質(zhì)的自旋方向而非對(duì)稱地散射的“外因性機(jī)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(jié)構(gòu)的擺動(dòng)產(chǎn)生與上述雜質(zhì)散射機(jī)制同樣的異常霍爾效應(yīng)，受到了極大的關(guān)注。 然而，這種新型電子散射機(jī)制需要兼顧高縱傳導(dǎo)率和非共面自旋結(jié)構(gòu)，迄今實(shí)驗(yàn)研究?jī)H限于極少的物質(zhì)。

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(gòu)成的化合物(金屬間化合物)。 這個(gè)物質(zhì)組成了Gd變形的三角格子，幾何學(xué)上的挫折[1]顯示了三角晶格上相鄰自旋在角度120度時(shí)穩(wěn)定的磁有序(圖1(a ) )。 當(dāng)對(duì)在該三角晶格上實(shí)現(xiàn)面內(nèi)角度120度的自旋結(jié)構(gòu)垂直地施加外部磁場(chǎng)時(shí)，自旋彼此形成的立體角逐漸變窄，經(jīng)過在6特斯拉( t :磁通密度的單位)和8T時(shí)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(qiáng)制

圖1 GdCu2的應(yīng)變?nèi)蔷Ц窈妥孕Y(jié)構(gòu)的示意圖

( a )零磁場(chǎng)下面內(nèi)角度120度自旋結(jié)構(gòu)。 ( b )面直磁場(chǎng)下強(qiáng)制鐵磁狀態(tài)。 用藍(lán)色虛線表示通過向面內(nèi)方向稍微傾斜的自旋局部生成非共面自旋結(jié)構(gòu)的情況。

聯(lián)合研究小組發(fā)現(xiàn)，GdCu在低溫下顯示出非常高的縱向傳導(dǎo)率2的優(yōu)質(zhì)單晶，通過中子衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了磁場(chǎng)中磁化的急劇增大只是自旋的立體角變化，磁結(jié)構(gòu)的周期模式?jīng)]有變化。 根據(jù)這一特征性的自旋結(jié)構(gòu)變化，接下來，進(jìn)行了最大24T的強(qiáng)磁場(chǎng)霍爾效應(yīng)測(cè)量。

結(jié)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(shù)量級(jí)的巨大霍爾電導(dǎo)率被觀測(cè)到(圖2 )。 該霍爾傳導(dǎo)率顯示出復(fù)雜的磁場(chǎng)依賴性，進(jìn)入磁化在6T和8T增大的磁相中時(shí)急劇減少，符號(hào)逆轉(zhuǎn)為負(fù)，再進(jìn)入10T以上的強(qiáng)制鐵磁性相時(shí)再次顯示出巨大的正峰值。 另外，研究人員發(fā)現(xiàn)，如果提高溫度，或者在試樣中加入輕微的原子結(jié)構(gòu)混亂，降低縱傳導(dǎo)率，這種巨大霍爾傳導(dǎo)率就會(huì)急劇受到抑制。 在通常內(nèi)源性異?；魻栃?yīng)中，霍爾傳導(dǎo)率最大為10的平方10的三次方-1廣告-1因?yàn)槭菙?shù)量級(jí)，幾乎不依賴于原子結(jié)構(gòu)的混亂，所以這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法用內(nèi)因性機(jī)制進(jìn)行說明。

GdCu2のホール伝導(dǎo)率の図

圖2 GdCu2的霍爾傳導(dǎo)率

2開爾文( k :絕對(duì)溫度單位)、6K、10K、14K各溫度下霍爾電導(dǎo)率的磁場(chǎng)依賴性。 黑色虛線表示強(qiáng)制鐵磁性的相界。

聯(lián)合研究組為了弄清這一巨大霍爾效應(yīng)的起源，進(jìn)行了以下理論考察。 首先，第一原理計(jì)算[5]通過基于的能帶計(jì)算，由于磁化的增大自旋分裂[6]一旦發(fā)生，就會(huì)出現(xiàn)新的費(fèi)米面[6]我知道會(huì)出現(xiàn)。 從該結(jié)果可知，在中間磁場(chǎng)區(qū)域急劇下降的巨大霍爾傳導(dǎo)率根據(jù)磁相而急劇變化高遷移率多載波[7]中所述情節(jié)，對(duì)概念設(shè)計(jì)中的量體執(zhí)行面積分析。 另外一方面，強(qiáng)制鐵磁性相正的峰結(jié)構(gòu)僅用高遷移率多載流子無法說明，有效自旋模型計(jì)算[8]表明，可以用鐵磁狀態(tài)下局部非共面自旋結(jié)構(gòu)的漲落(圖1(b ) )引起的電子散射機(jī)制進(jìn)行解釋。 另外，在通常的三角晶格中，來自非共面自旋結(jié)構(gòu)的空穴傳導(dǎo)率會(huì)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(cè)到的由非共面自旋結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)引起的異?；魻栯妼?dǎo)率，比迄今為止的具有原子像籠的網(wǎng)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(bào)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(jié)構(gòu)協(xié)奏帶來的新的突發(fā)輸運(yùn)現(xiàn)象。

圖3異?；魻栯妼?dǎo)率和縱向電導(dǎo)率縮放圖

本研究的GdCu2的強(qiáng)制鐵磁相中觀測(cè)到的異常霍爾電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)點(diǎn)為黃色，手性磁性體MnGe薄膜及可編程磁性體KV3Sb5中報(bào)道的數(shù)據(jù)點(diǎn)分別為橙色和綠色，F(xiàn)e薄膜雜質(zhì)散射(外源異?；魻栃?yīng))的數(shù)據(jù)點(diǎn)為藍(lán)色，許多磁體符合的內(nèi)源性異?；魻栃?yīng)區(qū)域?yàn)榛疑?/p>

今后的期待

本研究成果強(qiáng)烈支持了理論上提倡的非共面自旋結(jié)構(gòu)帶來的新電子散射機(jī)制。 今后，我們將對(duì)擴(kuò)大高傳導(dǎo)性扁平磁性體復(fù)雜霍爾效應(yīng)微觀機(jī)制的理解和研究做出巨大貢獻(xiàn)。

補(bǔ)充說明

1.推力磁性體，幾何學(xué)推力

幾何學(xué)推力是指位于三角形頂點(diǎn)的自旋之間相互反平行的相互作用等幾何學(xué)上相互作用相抗衡的狀態(tài)。 由于挫折感(自旋排列不穩(wěn)定性)，相互平衡的自旋結(jié)構(gòu)(如面內(nèi)角度120度結(jié)構(gòu))可能會(huì)變得穩(wěn)定。 這種拮抗的磁相互作用起作用的物質(zhì)統(tǒng)稱為推力磁性體。

2.縱傳導(dǎo)率

表示與施加電流平行方向上的載流子(電子或空穴)電導(dǎo)率的物理量。 相當(dāng)于電阻率的倒數(shù)。

3.霍爾傳導(dǎo)率

表示載流子在與施加電流和施加磁場(chǎng)垂直的方向上的電導(dǎo)率的物理量。 相當(dāng)于霍爾電阻率除以電阻率的平方的值。

4.非共面自旋結(jié)構(gòu)

三個(gè)自旋彼此方向不同，具有立體角的結(jié)構(gòu)。 可以用標(biāo)量自旋手性這一物理量來描述，是直接關(guān)系到異?；魻杺鲗?dǎo)率等的重要原因。

5.第一原理計(jì)算

基于量子力學(xué)直接計(jì)算物質(zhì)性質(zhì)的方法。 在該計(jì)算方法中，不使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，而只根據(jù)基本的物理定律(量子力學(xué)的原理)來預(yù)測(cè)物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)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(jì)算原子和分子的相互作用。 第一原理計(jì)算可以高精度地預(yù)測(cè)物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)、能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)等，對(duì)新材料的設(shè)計(jì)和未知物質(zhì)的特性分析非常有用。

6.自旋分裂，費(fèi)米面

費(fèi)米表面對(duì)應(yīng)于動(dòng)量空間中被電子占據(jù)和未被電子占據(jù)的能量邊界。 自旋分裂是指受磁場(chǎng)的影響，自旋向上和向下的一方的能量下降(上升)，由此有時(shí)會(huì)生成(或消失)新的費(fèi)米面。

7.高遷移率多載波

半導(dǎo)體可以由單個(gè)載流子處理，正?；魻栃?yīng)的直線與磁場(chǎng)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(fù)雜的費(fèi)米面，因此大多會(huì)變成具有多個(gè)載流子的多載流子狀態(tài)。 特別是GdCu2的情況下，除了多載波之外，遷移率(載流子的運(yùn)動(dòng)容易度)也非常高，因此正常霍爾效應(yīng)的磁場(chǎng)依賴性也變得復(fù)雜。

8.有效自旋模型計(jì)算

為了簡(jiǎn)潔地描述復(fù)雜的自旋系統(tǒng)，將實(shí)際自旋之間的相互作用近似建模進(jìn)行計(jì)算的方法。

聯(lián)合研究組

理化學(xué)研究所創(chuàng)發(fā)物性科學(xué)研究中心

創(chuàng)發(fā)功能磁性材料研究單元

單元領(lǐng)導(dǎo)輕部皓介

強(qiáng)相關(guān)物質(zhì)研究組

集團(tuán)總監(jiān)田口康二郎(田口康二郎)

計(jì)算物質(zhì)科學(xué)研究小組

球隊(duì)總監(jiān)有田亮太郎(亞里達(dá)龍?zhí)?

(東京大學(xué)研究生院理學(xué)系研究科物理學(xué)專業(yè)教授)

基礎(chǔ)科學(xué)特別研究員(研究當(dāng)時(shí)，現(xiàn)客座研究員)程曉怡( Hsiao-Yi Chen )

(現(xiàn)任東北大學(xué)金屬材料研究所金屬物性論研究部門助教)

強(qiáng)相關(guān)量子結(jié)構(gòu)研究組

集團(tuán)總監(jiān)有馬孝尚(阿里瑪塔·卡希薩)

(東京大學(xué)研究生院新領(lǐng)域創(chuàng)建科學(xué)研究科教授)

客座研究員中島多朗

(東京大學(xué)物性研究所附屬中子科學(xué)研究設(shè)施副教授)

強(qiáng)相關(guān)物性研究小組

集團(tuán)總監(jiān)十倉(cāng)好紀(jì)(龍珠)

(東京大學(xué)卓越教授/東京大學(xué)國(guó)際高等研究所)

強(qiáng)相關(guān)量子傳導(dǎo)研究小組

客座主管研究員大貫惇睦

東北大學(xué)金屬材料研究所磁物理學(xué)研究部門

副教授(研究當(dāng)時(shí))木俁基

(現(xiàn)日本原子能研究開發(fā)機(jī)構(gòu)原子能科學(xué)研究所尖端基礎(chǔ)研究中心研究副主管)

東京科學(xué)大學(xué)理學(xué)院

副教授石冢大晃(石冢大晃)

日本原子能研究開發(fā)機(jī)構(gòu)J-PARC中心

研究主干大原高志

綜合科學(xué)研究機(jī)構(gòu)中子科學(xué)中心

副主任技師宗像孝司

東京大學(xué)尖端科學(xué)技術(shù)研究中心

講師(研究當(dāng)時(shí))野本拓也(野本拓也)

(現(xiàn)東京都立大學(xué)研究生院理學(xué)研究科物理學(xué)專業(yè)副教授)

研究支援

本研究由理研TRIP倡議(多電子集團(tuán)，AGIS )實(shí)施，日本學(xué)術(shù)振興會(huì)( JSPS )科學(xué)研究費(fèi)資助事業(yè)基礎(chǔ)研究( b )“基于對(duì)稱性和混亂的新拓?fù)浯判院蛣?chuàng)造功能的開拓(研究代表者:輕部皓介、 23K26534 )”“矢量強(qiáng)磁場(chǎng)高壓下熱測(cè)量闡明的三重態(tài)超導(dǎo)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(xué)術(shù)轉(zhuǎn)型領(lǐng)域研究( a )“手性分子誘發(fā)的新型超導(dǎo)功能的測(cè)量與闡明(研究代表者:木俁基) 23H04014 )“通過精密物性測(cè)量開拓不對(duì)稱量子物質(zhì)的新功能(研究代表者:柳澤達(dá)也、23H04868 )”“光誘導(dǎo)強(qiáng)相關(guān)FET中自旋極化費(fèi)米面的檢測(cè)和局域-非局域轉(zhuǎn)移的闡明(研究代表者:木俁基、21H05470 該國(guó)際聯(lián)合研究加速基金(海外聯(lián)合研究)“通過尖端熱測(cè)量技術(shù)的國(guó)際聯(lián)合開發(fā)新開展強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)(研究代表者:小濱芳允，23KK0052 )”，同基礎(chǔ)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(dǎo)現(xiàn)象的開拓(研究代表者:酒井英明) 同基礎(chǔ)研究( s )“含鈾的強(qiáng)相關(guān)拓?fù)渥孕貞B(tài)超導(dǎo)的物理(研究代表者:青木大學(xué)，22H04933 )”、科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)( JST )戰(zhàn)略性創(chuàng)造研究推進(jìn)事業(yè)CREST「Beyond Skyrmion”為目標(biāo)的新拓?fù)浯判钥茖W(xué)的創(chuàng)造 由該開創(chuàng)性的研究支援事業(yè)“超室溫拓?fù)浯判圆牧系膭?chuàng)造(研究代表者:輕部皓介，JPMJFR235R )”資助進(jìn)行。 本研究的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)通過東北大學(xué)金屬材料研究所的共同研究( 202311-HMKPA-0001 )實(shí)施。 另外，J-PARC物質(zhì)生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施( MLF )的中子衍射實(shí)驗(yàn)是通過J-PARC一般課題( 2022B0259 )進(jìn)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(guī)タブで開きます