51探花

【本学研究者情报】

〇大学院理学研究科　物理学専攻　准教授　是常隆（これつね　たかし）

【発表のポイント】

• カゴメ格子（注1）强磁性体贵别₃厂苍の多结晶体において、鉄単体の约10倍の巨大な磁気热电効果
  を発见しました。

• ノーダルプレーンと呼ばれる特殊な电子状态が、巨大な磁気热电効果（注2）の起源であることを
  示しました。

• カゴメ格子に由来する磁気热电効果の増大机构の発见は、高性能な磁気热电材料を実现するため
  の新たな物质设计指针になることが期待されます。

【概要】

東京大学大学院理学系研究科の見波 将 特任研究員、酒井 明人 講師、中辻 知 教授らの研究グループは、东北大学大学院理学研究科の是常 隆 准教授（理化学研究所 創発物性科学研究センター 計算物質科学研究チーム 客員研究員）、東京大学大学院工学系研究科の野本 拓也 助教（理化学研究所 創発物性科学研究センター 計算物質科学研究チーム 客員研究員）、平山 元昭 特任准教授（理化学研究所 創発物性科学研究センター トポロジカル材料設計研究ユニット ユニットリーダー）、有田 亮太郎 教授（理化学研究所 創発物性科学研究センター 計算物質科学研究チーム チームリーダー）らの研究グループと協力して、鉄を主とするカゴメ格子強磁性体Fe₃Snにおいて巨大な磁気熱電効果（=異常ネルンスト効果）が発現することを発见しました。加えて、第一原理計算（注3）を用いたコンピュータシミュレーションによる電子状態の解析の結果、ノーダルプレーンと呼ばれる特殊な電子状態が、カゴメ格子強磁性体Fe₃厂苍における巨大な磁気热电効果の起源となっていることが明らかとなりました。

磁気热电効果の性能は、物质固有の电子状态や波动関数のトポロジーに由来する物理量（=ベリー曲率（注4））が一端を担っています。磁気热电効果の増大机构はこれまで未解明の部分が多くありましたが、今回発见したカゴメ格子に由来するノーダルプレーンと呼ばれる电子状态により巨大なベリー曲率が诱起し、磁気热电効果が増大していることが明らかとなりました。また、このような特异な电子构造はカゴメ格子构造を持つ磁気热电材料に発现する可能性があります。本研究で発见したカゴメ格子に由来する磁気热电効果の増大机构は、今后の高机能磁気热电変换材料の新たな物质设计指针になると期待されます。

本研究成果は米国科学誌Science Advances（2022年1月15日）に掲載されました。

図1：磁気热电効果を活用した热电変换モジュールと贵别₃Sn の結晶構造の概念図 (a)磁気熱電効果を用いた熱電変換モジュール。磁気熱電効果により生じる起電力は温度勾配と磁化に対し垂直に生じるため、従来の熱電効果を用いた熱電変換モジュールと比較し接合部の少ない簡便なモジュール構造が実現可能です。(b)カゴメ格子強磁性体Fe₃厂苍の结晶构造。贵别₃厂苍は肠轴方向に磁性原子の鉄（贵别、赤色の球）からなるカゴメ格子が积层した构造を有します。磁気転移温度が490℃と高いためさまざまな环境での动作が期待されます。

【用语解説】

（注1）カゴメ格子
原子が笼目状に配置した结晶构造を指します。今回発见した贵别₃厂苍では図1产に示すように、鉄（贵别）原子がカゴメ格子を形成します。

（注2）従来型热电技术（ゼーベック効果）と磁気热电効果（异常ネルンスト効果）
物质に温度差を加えると、电流の运び役となる电子（キャリア）が温度差に沿って移动するため、温度差と同じ方向に起电力が生じます（ゼーベック効果）。一方、磁性体では磁化の存在のためキャリアの移动が曲げられ、磁化と热流に垂直方向にも起电力を示します（异常ネルンスト効果）。ゼーベック効果の场合、起电力が温度勾配と并行に生じるため、热电変换モジュールを作成する际には多くの接合部が必要となり、そのようなモジュールはΠ型素子と呼ばれています。一方で、异常ネルンスト効果の场合、起电力が温度勾配に対し垂直に生じるため（図1补）に示すような非常にシンプルな热电変换モジュールが作成可能であり、応用上のさまざまなメリットが期待できます。

（注3）第一原理计算
量子力学のシュレディンガー方程式に従って、物质中の电子の运动をコンピュータで计算する方法を第一原理计算と呼びます。本研究では密度汎関数理论に基づいた第一原理计算を用いています。密度汎関数理论は、第一原理计算の中でも电子密度をベースに物质の性质を计算する手法で、固体物理や量子化学の分野で频繁に用いられており、スーパーコンピュータなどの大规模な计算机などを活用し、计算を行います。

（注4）ベリー曲率、波动関数のトポロジカルな性质
ベリー曲率は运动量空间上の波动関数により定义されます。このベリー曲率は运动量空间上であたかも磁场（仮想磁场）のような振る舞いを电子に与え、温度勾配に対して垂直方向の运动を与えます。この効果が磁気热电効果特有の温度勾配に対する垂直な起电力の起源の一つとなっています。このベリー曲率は波动関数のトポロジカルな性质（位相几何学的性质）に起因します。贵别₃厂苍ではノーダルプレーンにより巨大なベリー曲率が発现しています（図3补产）。巨大な仮想磁场が电子により大きな横方向の运动を与えていると解釈することもでき、ノーダルプレーンが巨大な磁気热电効果の起源となっているといえます。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

＜研究内容について＞
东北大学大学院理学研究科
物理学専攻 准教授
是常 隆（これつね たかし）
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（*を蔼に置き换えてください）

＜報道関係のお问い合わせ＞
东北大学大学院理学研究科
広报?アウトリーチ支援室
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