51探花

【本学研究者情报】

〇材料科学高等研究所　教授　佐藤宇史

【発表のポイント】

• フェリ磁性体骋诲颁辞₅において、室温で过去最大の横磁気热电伝导率を観测した。
• 巨大な磁気热电効果（异常ネルンスト効果）の起源は、波动関数の干渉効果により生じた遍歴フラットバンドであることを、実験と理论の両面から実証した。磁気秩序が生じている物质で遍歴フラットバンドが観测されたのは世界で初めての事例である。
• 磁気热电効果を用いた横型热电変换は薄膜形状のデバイスに适している。本成果で见いだされた巨大な磁気热电効果を利用することで、热电デバイスやスピントロニクスデバイスへの応用が期待される。

【概要】

東京大学大学院理学系研究科の見波将特任助教（研究当時、現：京都大学大学院工学研究科助教）、Yangming Wang博士課程学生（研究当時）、中村紘人博士課程学生（研究当時）、酒井明人講師と中辻知教授らの研究グループは、同大学大学院有田亮太郎教授（兼：理化学研究所創発物性科学研究センターチームディレクター）、理化学研究所創発物性科学研究センターの大岩陸人基礎科学特別研究員（研究当時、現：北海道大学講師）、東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の相馬清吾准教授、佐藤宇史教授らと共同で、フェリ磁性体（注 1）GdCo₅において、室温で過去最大の横磁気熱電伝導率（注 2）を観測しました。また、巨大な磁気熱電効果の起源が波動関数の干渉効果により生じた遍歴フラットバンド（注 3）であることを、実験と理論の両面から明らかにしました。

GdCo₅はハニカム格子とカゴメ格子（注 4）が交互に積み重なった結晶構造を持ちます。本研究では、角度分解光電子分光（ARPES）（注 5）と第一原理计算（注 6）を组み合わせ、この积层格子上の波动関数の干渉効果（注 7）により、遍歴フラットバンドが広い运动量空间にわたって存在することを明らかにしました（図1）。磁気秩序が生じている物质で遍歴フラットバンドが観测されたのは世界で初めての事例です。さらに、このフラットバンドに由来する巨大な磁気热电効果を発见し、室温における横磁気热电伝导率として过去最大の値を达成しました（図2）。本成果で见いだされた巨大な磁気热电効果を利用することで、热电デバイスやスピントロニクスデバイスの开発につながることが期待されます。

【用语解説】

（注 1）フェリ磁性体
磁石の性质を持つ物质（磁性体）の一种です。通常の磁石（强磁性体）ではすべての磁気モーメント（原子の持つ小さな磁石）が同じ方向に揃っていますが、フェリ磁性体では大きさの异なる磁気モーメントが互いに反対方向を向いています。例えば、本研究で使われた骋诲颁辞₅の场合、図2挿入図の矢印で示すように、コバルト原子(颁辞)とガドリニウム原子(骋诲)の大きさが异なり反対向きの磁気モーメントを持っています。

（注 2）横磁気熱電伝導率
物质に温度差を加えると、电子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、このような现象は热电効果（ゼーベック効果）と呼ばれます。一方、磁性体では物质中の磁化により电子の移动が曲げられ、温度差と垂直な方向にも起电力が生じます。このような磁化に由来し温度差と垂直な方向に起电力が生じる热电効果を异常ネルンスト効果（磁気热电効果）と呼びます。起电力の向きの违いにより、异常ネルンスト効果を横型热电効果とも呼びます。ゼーベック効果を用いた従来の热电素子は立体的で复雑な构造が必要ですが、异常ネルンスト効果では温度差に対して垂直方向に発电するため、薄膜型の简便なデバイス设计が可能です。横磁気热电伝导率（α_xy）はこの横方向の热电変换の性能を表す物理量で、値が大きいほど高性能な発电が可能となります。

（注 3）遍歴フラットバンド
固体中に存在する電子はそれぞれ異なるエネルギーを持ち、その取りうるエネルギーの範囲を「バンド」と呼びます。通常の金属では、電子は運動量の2乗に比例する運動エネルギーを持ちバンドにエネルギーの幅が生じますが、カゴメ格子のように三角形を基本単位とする幾何学的にフラストレートした結晶格子上では、格子の幾何学的性質に起因する波動関数の干渉効果（注7）により、エネルギーが運動量によってほとんど変化せず、幅のない平坦なバンドが現れることがあります。これを「フラットバンド」と呼びます。通常、磁気秩序が生じるとフラットバンドはフェルミエネルギー（注8）から離れて遍歴性を失うため、遍歴性を有するフラットバンドと磁気秩序は相反するものであると考えられてきました。本研究ではフェリ磁性体骋诲颁辞₅において磁気秩序下でもフェルミエネルギー近傍に存在する「遍歴フラットバンド」を世界で初めて実証しました。

（注 4）ハニカム格子、カゴメ格子
カゴメ格子は、原子が笼目状に配置された结晶构造を指します。ハニカム格子とは、原子が蜂の巣状に六角形を形成するように配置された结晶构造を指します。本研究の骋诲颁辞₅では、コバルト（颁辞）原子がカゴメ格子とハニカム格子を交互に形成しており（図1左）、この「积层ハニカム-カゴメ格子」上での波动関数の干渉効果が、遍歴フラットバンドを安定化させる键となっています。

（注 5）角度分解光電子分光 （ARPES）
物质の表面に光を照射して、外部光电効果により物质外に放出される电子のエネルギーと运动量を同时に测定することで、电子の物质中での状态を直接的に観测する実験手法です。

（注 6）第一原理計算
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ー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ーなどの大规模な计算机などを活用し、计算を行い物质中の电子状态の高精度な理论予测が可能となります。

（注 7）波動関数の干渉効果
量子力学では、电子は波としての性质を持つ波动関数として记述されます。水面の波の重ね合わせと同様に、结晶格子上の电子の波动関数も互いに干渉します。カゴメ格子のように叁角形を基本単位とする格子では、隣接するサイト间を伝わる电子の波动関数の位相が互いに相杀し、电子が特定の领域に闭じ込められます。この局在化がフラットバンドの起源となります。本研究の骋诲颁辞₅では、积层ハニカム-カゴメ格子に由来した波动関数が互いに干渉することで、复数のフラットバンドが生じ、遍歴フラットバンドの起源となることを理论的に明らかにしました。

（注 8）フェルミエネルギー
固体内の电子が、低いエネルギー状态から顺に詰まっていき、絶対零度においてちょうど満たされる最高のエネルギーレベルのことです。金属や半导体などの様々な物性（电気伝导性や磁性、热电変换性能など）は、このフェルミエネルギー近傍に位置する电子の振る舞いによって决定されます。本研究において「遍歴フラットバンドがフェルミエネルギー近傍に存在する」という事実は、フラットバンド由来の特殊な电子状态が、物质の机能（高い磁気热电性能など）に寄与していることを意味しています。

【论文情报】

雑誌名：Advanced Materials
題　名：Evidence for itinerant ferromagnetic flat bands producing large transverse responses
著者名：Susumu Minami, Yangming Wang, Seigo Souma, Hiroto Nakamura, Akito Sakai, Takumi Osumi, Hang Su, Hikaru Watanabe, Shun'ichiro Kurosawa, Rikuto Oiwa, Daisuke Nishio-Hamane, Kosuke Nakayama, Takuya Nomoto, Ryotaro Arita, Takafumi Sato, Satoru Nakatsuji
DOI:

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问い合わせ先

（报道に関すること）
东北大学材料科学高等研究所（奥笔滨-础滨惭搁）　広报戦略室
罢贰尝：022-217-6146
贰-尘补颈濒：补颈尘谤-辞耻迟谤别补肠丑*驳谤辫.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）