東大など、「磁性ワイル半金属」において巨大な磁気光学応答の実証に成功

東京大学(東大)、理化学研究所(理研)、東北大学、科学技術振興機構(JST)の4者は9月15日、近年発見された強磁性体かつ特殊な物質である「磁性ワイル半金属」において、巨大な磁気光学応答の実証に成功したと共同で発表した。

同成果は、東大大学院工学系研究科の岡村嘉大助教、同・高橋陽太郎准教授、理研創発物性科学研究センターの十倉好紀センター長、東北大金属材料研究所の藤原宏平准教授、同・塚﨑敦教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、英科学雑誌「Nature Communications」に掲載された。

近年、数学の幾何学の一分野として発達した「トポロジー(位相幾何学)」の概念を物質科学に適用した、「トポロジカル絶縁体」や「トポロジカル超伝導体」といった、特別な電子構造を持つ「トポロジカル物質」が発見されている。

このトポロジカル物質は、特殊な電子構造に由来した新規な電磁気応答が理論的に予測されており、次世代のエレクトロニクスやフォトニクスへの応用展開が期待されている。トポロジカル物質の特徴のひとつは、電子はあたかも大きな磁場がかかっているかのように振る舞うことで、その結果として、巨大な「異常ホール効果」などに代表される非自明な伝導現象が知られている。しかし、これまでトポロジカル物質の光学応答の研究は非常に少なく、その基礎物理はほとんど明らかになっていない状況だ。光学応答についても、物質のトポロジーに由来した新たな現象が探索されている。

また「ホール効果」は、磁場印可状態において、磁場と垂直に電流を流すと磁場・電場に垂直な方向に電圧が発生することをいうが、その電圧は一般に印可磁場の大きさに比例するものの、強磁性体の場合においては、さらに磁化に比例するような電圧も生じ、それが異常ホール効果として知られている。

共同研究チームは今回、強磁性かつトポロジカル物質である「Co₃Sn₂S₂」において、トポロジカルな電子構造に関連した磁気光学応答の探索を実施した。「Co₃Sn₂S₂」は、トポロジカル物質の中でも磁性ワイル半金属と呼ばれている。

(左)磁性ワイル半金属「Co₃Sn₂S₂」の電子構造。(右)磁気光学ファラデー効果と同カー効果の概念図 (出所:東大・理研・東北大・JST共同プレスリリースPDF)

電子の持つ運動量によって電子状態を記述したものを「バンド構造」と呼び、2つのバンドが何らかの対称性によって交差しているものを「トポロジカルな電子構造」という。磁性ワイル半金属は、このような電子状態を持つトポロジカル物質の1つであり、バンドの交差点(ワイル点)が対をなして現れるのが特徴だ。

そこで共同研究チームはまず、「Co₃Sn₂S₂」においてテラヘルツから赤外領域までの広い光学領域における「磁気光学ファラデー効果」および「磁気光学カー効果」を測定。その結果、同物質の磁気光学効果が、これまで観測されてきた通常の磁性体と比べてはるかに大きいことが判明したという。

さらに、ホール伝導度スペクトルと「第一原理計算」との比較を行うことで、観測された光学応答がまさにトポロジカルな電子構造に由来していることが明らかとなったとする。

(左)磁気光学カー効果の温度依存性。(右)磁気光学カー効果の温度依存性から算出したホール伝導度スペクトル (出所:東大・理研・東北大・JST共同プレスリリースPDF)

なお、磁気光学効果はスマートフォンや携帯電話にも使われている「アイソレータ」の原理として使われている物理現象であるが、これまで、テラヘルツ・赤外領域においては、大きな磁気光学効果を示す材料がほとんどなかったため、今回の発見は高効率な次世代光デバイスの開発に向けて、貴重な一歩となると研究チームでは説明している。