2025年6月20日
理化研究所
日本原子能研究开发机构
综合科学研究机构
高传导性推力磁体中的巨霍尔效应
-证实了磁性体中异常霍尔效应的新表达机制-
理化学研究所(理研)创发物性科学研究中心创发功能磁性材料研究单元总监轻部皓介、强相关物质研究组总监田口康二郎、计算物质科学研究组总监有田亮太郎、强相关量子结构研究组总监有马孝尚、 强相关物性研究小组总监十仓好纪、日本原子能研究开发机构J-PARC中心的大原高志研究主干、综合科学研究机构中子科学中心的宗像孝司副主任技师等的联合研究组具有高传导性推力磁性体[1]中发现了在磁场中显示出明显变化的巨大霍尔效应(磁场下电子轨道弯曲的现象)。
期待本研究成果为理解磁性体中霍尔效应的复杂物理机制做出贡献。
这次，共同研究小组发现了变形的三角格子GdCu2着眼于具有的推力磁性体，纵传导率[2]的优质单晶，相当于大多数磁性体中常见的普通值的10~100倍霍尔传导率[3])，发现呈现出伴随符号反转的复杂磁场变化。 该巨大霍尔效应是由于电子状态的急剧变化和局部的非共面自旋结构[4]表明可以用的波动带来的新的电子散射机制来解释。
本研究根据科学杂志《npj quantum材料》刊登在了在线版( 6月6日)上。
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局部非共面自旋结构带来的巨霍尔效应的示意图
背景
磁性体中的霍尔效应从其丰富多彩的表达机制和应用于高性能磁传感器的观点来看，近年来在物性物理学中得到了积极的研究。 霍尔效应众所周知的有传导电子因外部磁场受到洛伦兹力而轨道弯曲的通常的“正常霍尔效应”，和像强磁性体一样因磁化的存在而轨道弯曲的“异常霍尔效应”。 最近的研究表明，异常霍尔效应不限于具有宏观磁化的铁磁体，可以用各种磁性体中由物质固有电子状态决定的虚拟磁场引起的“内源性机制”来解释。
另一方面，关于异常霍尔效应，在铁的薄膜等传导性非常高的磁性体中，由于少量的杂质，传导电子根据作为自身具有的小磁铁的性质的自旋方向而非对称地散射的“外因性机制”也早已为人所知。 近年来，理论上提倡局部自旋的非共面局部结构的摆动产生与上述杂质散射机制同样的异常霍尔效应，受到了极大的关注。 然而，这种新型电子散射机制需要兼顾高纵传导率和非共面自旋结构，迄今实验研究仅限于极少的物质。
研究方法和成果
本研究为GdCu2我们着眼于( Gd :钆、Cu :铜)这种由不同金属构成的化合物(金属间化合物)。 这个物质组成了Gd变形的三角格子，几何学上的挫折[1]显示了三角晶格上相邻自旋在角度120度时稳定的磁有序(图1(a ) )。 当对在该三角晶格上实现面内角度120度的自旋结构垂直地施加外部磁场时，自旋彼此形成的立体角逐渐变窄，经过在6特斯拉( t :磁通密度的单位)和8T时磁化急剧增大的磁相变，不久在10T以上，几乎所有的自旋都向同一方向一致的强制
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图1 GdCu2的应变三角晶格和自旋结构的示意图
( a )零磁场下面内角度120度自旋结构。 ( b )面直磁场下强制铁磁状态。 用蓝色虚线表示通过向面内方向稍微倾斜的自旋局部生成非共面自旋结构的情况。
联合研究小组发现，GdCu在低温下显示出非常高的纵向传导率2的优质单晶，通过中子衍射实验，证实了磁场中磁化的急剧增大只是自旋的立体角变化，磁结构的周期模式没有变化。 根据这一特征性的自旋结构变化，接下来，进行了最大24T的强磁场霍尔效应测量。
结果，在低温下为10次方10的5次方-1广告-1( :欧姆。 电阻单位)数量级的巨大霍尔电导率被观测到(图2 )。 该霍尔传导率显示出复杂的磁场依赖性，进入磁化在6T和8T增大的磁相中时急剧减少，符号逆转为负，再进入10T以上的强制铁磁性相时再次显示出巨大的正峰值。 另外，研究人员发现，如果提高温度，或者在试样中加入轻微的原子结构混乱，降低纵传导率，这种巨大霍尔传导率就会急剧受到抑制。 在通常内源性异常霍尔效应中，霍尔传导率最大为10的平方10的三次方-1广告-1因为是数量级，几乎不依赖于原子结构的混乱，所以这些实验结果无法用内因性机制进行说明。
GdCu2のホール伝導率の図
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图2 GdCu2的霍尔传导率
2开尔文( k :绝对温度单位)、6K、10K、14K各温度下霍尔电导率的磁场依赖性。 黑色虚线表示强制铁磁性的相界。
联合研究组为了弄清这一巨大霍尔效应的起源，进行了以下理论考察。 首先，第一原理计算[5]通过基于的能带计算，由于磁化的增大自旋分裂[6]一旦发生，就会出现新的费米面[6]我知道会出现。 从该结果可知，在中间磁场区域急剧下降的巨大霍尔传导率根据磁相而急剧变化高迁移率多载波[7]中所述情节，对概念设计中的量体执行面积分析。 另外一方面，强制铁磁性相正的峰结构仅用高迁移率多载流子无法说明，有效自旋模型计算[8]表明，可以用铁磁状态下局部非共面自旋结构的涨落(图1(b ) )引起的电子散射机制进行解释。 另外，在通常的三角晶格中，来自非共面自旋结构的空穴传导率会在相邻的三角形之间抵消，但GdCu2明确了在的变形三角格子中不完全抵消而是变得有限。
这次是GdCu2中观测到的由非共面自旋结构的摆动引起的异常霍尔电导率，比迄今为止的具有原子像笼的网眼一样排列的笼形晶格和镜像不重叠的手性晶格的推力磁体报告的值更大(图3 )。 这可以说是高迁移率多载流子和非显而易见的自旋结构协奏带来的新的突发输运现象。
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图3异常霍尔电导率和纵向电导率缩放图
本研究的GdCu2的强制铁磁相中观测到的异常霍尔电导率的数据点为黄色，手性磁性体MnGe薄膜及可编程磁性体KV3Sb5中报道的数据点分别为橙色和绿色，Fe薄膜杂质散射(外源异常霍尔效应)的数据点为蓝色，许多磁体符合的内源性异常霍尔效应区域为灰色。
今后的期待
本研究成果强烈支持了理论上提倡的非共面自旋结构带来的新电子散射机制。 今后，我们将对扩大高传导性扁平磁性体复杂霍尔效应微观机制的理解和研究做出巨大贡献。
补充说明
1.推力磁性体，几何学推力
几何学推力是指位于三角形顶点的自旋之间相互反平行的相互作用等几何学上相互作用相抗衡的状态。 由于挫折感(自旋排列不稳定性)，相互平衡的自旋结构(如面内角度120度结构)可能会变得稳定。 这种拮抗的磁相互作用起作用的物质统称为推力磁性体。
2.纵传导率
表示与施加电流平行方向上的载流子(电子或空穴)电导率的物理量。 相当于电阻率的倒数。
3.霍尔传导率
表示载流子在与施加电流和施加磁场垂直的方向上的电导率的物理量。 相当于霍尔电阻率除以电阻率的平方的值。
4.非共面自旋结构
三个自旋彼此方向不同，具有立体角的结构。 可以用标量自旋手性这一物理量来描述，是直接关系到异常霍尔传导率等的重要原因。
5.第一原理计算
基于量子力学直接计算物质性质的方法。 在该计算方法中，不使用实验数据和经验参数，而只根据基本的物理定律(量子力学的原理)来预测物质的电子结构和物性。 具体而言，利用薛定谔方程和作为其近似解的密度泛函理论等，计算原子和分子的相互作用。 第一原理计算可以高精度地预测物质的电子结构和能量状态、能带结构、化学反应等，对新材料的设计和未知物质的特性分析非常有用。
6.自旋分裂，费米面
费米表面对应于动量空间中被电子占据和未被电子占据的能量边界。 自旋分裂是指受磁场的影响，自旋向上和向下的一方的能量下降(上升)，由此有时会生成(或消失)新的费米面。
7.高迁移率多载波
半导体可以由单个载流子处理，正常霍尔效应的直线与磁场成比例的斜率由载流子浓度决定。 另一方面，金属的情况下，由于存在复杂的费米面，因此大多会变成具有多个载流子的多载流子状态。 特别是GdCu2的情况下，除了多载波之外，迁移率(载流子的运动容易度)也非常高，因此正常霍尔效应的磁场依赖性也变得复杂。
8.有效自旋模型计算
为了简洁地描述复杂的自旋系统，将实际自旋之间的相互作用近似建模进行计算的方法。
联合研究组
理化学研究所创发物性科学研究中心
创发功能磁性材料研究单元
单元领导轻部皓介
强相关物质研究组
集团总监田口康二郎(田口康二郎)
计算物质科学研究小组
球队总监有田亮太郎(亚里达龙太郎)
(东京大学研究生院理学系研究科物理学专业教授)
基础科学特别研究员(研究当时，现客座研究员)程晓怡( Hsiao-Yi Chen )
(现任东北大学金属材料研究所金属物性论研究部门助教)
强相关量子结构研究组
集团总监有马孝尚(阿里玛塔·卡希萨)
(东京大学研究生院新领域创建科学研究科教授)
客座研究员中岛多朗
(东京大学物性研究所附属中子科学研究设施副教授)
强相关物性研究小组
集团总监十仓好纪(龙珠)
(东京大学卓越教授/东京大学国际高等研究所)
强相关量子传导研究小组
客座主管研究员大贯惇睦
东北大学金属材料研究所磁物理学研究部门
副教授(研究当时)木俣基
(现日本原子能研究开发机构原子能科学研究所尖端基础研究中心研究副主管)
东京科学大学理学院
副教授石冢大晃(石冢大晃)
日本原子能研究开发机构J-PARC中心
研究主干大原高志
综合科学研究机构中子科学中心
副主任技师宗像孝司
东京大学尖端科学技术研究中心
讲师(研究当时)野本拓也(野本拓也)
(现东京都立大学研究生院理学研究科物理学专业副教授)
研究支援
本研究由理研TRIP倡议(多电子集团，AGIS )实施，日本学术振兴会( JSPS )科学研究费资助事业基础研究( b )“基于对称性和混乱的新拓扑磁性和创造功能的开拓(研究代表者:轻部皓介、 23K26534 )”“矢量强磁场高压下热测量阐明的三重态超导多相的各向异性和贝利相位物性(研究代表者:木俣基，23K22447 )”，同学术转型领域研究( a )“手性分子诱发的新型超导功能的测量与阐明(研究代表者:木俣基) 23H04014 )“通过精密物性测量开拓不对称量子物质的新功能(研究代表者:柳泽达也、23H04868 )”“光诱导强相关FET中自旋极化费米面的检测和局域-非局域转移的阐明(研究代表者:木俣基、21H05470 该国际联合研究加速基金(海外联合研究)“通过尖端热测量技术的国际联合开发新开展强磁场科学(研究代表者:小滨芳允，23KK0052 )”，同基础研究( a )“自旋谷耦合的超高易度狄拉克电子的新奇非相反非线性传导现象的开拓(研究代表者:酒井英明) 同基础研究( s )“含铀的强相关拓扑自旋三重态超导的物理(研究代表者:青木大学，22H04933 )”、科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业CREST「Beyond Skyrmion”为目标的新拓扑磁性科学的创造 由该开创性的研究支援事业“超室温拓扑磁性材料的创造(研究代表者:轻部皓介，JPMJFR235R )”资助进行。 本研究的强磁场实验通过东北大学金属材料研究所的共同研究( 202311-HMKPA-0001 )实施。 另外，J-PARC物质生命科学实验设施( MLF )的中子衍射实验是通过J-PARC一般课题( 2022B0259 )进行的。
原论文信息
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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