Spontaneous topological Hall effect induced by non-coplanar antiferromagnetic order in intercalated van der Waals materials

高木 寛貴*; 高木 里奈*; 見波 将*; 野本 拓也*; 大石 一城*; 鈴木 通人*; 柳 有起*; 平山 元昭*; Khanh, N.*; 軽部 皓介*; et al.

Nature Physics, 19(7), p.961 - 968, 2023/07

https://doi.org/10.1038/s41567-023-02017-3

In ferromagnets, electric current generally induces a transverse Hall voltage in proportion to the internal magnetization. This effect is frequently used for electrical readout of the spin up and down states. While these properties are usually not expected in antiferromagnets, recent theoretical studies predicted that non-coplanar antiferromagnetic order with finite scalar spin chirality - meaning a solid angle spanned by neighboring spins - can induce a large spontaneous Hall effect even without net magnetization or external magnetic field. This phenomenon, the spontaneous topological Hall effect, can potentially be used for the efficient electrical readout of the antiferromagnetic states, but it has not been experimentally verified due to a lack of appropriate materials hosting such magnetism. Here, we report the discovery of all-in-all-out type non-coplanar antiferromagnetic order in triangular lattice compounds CoTaS and CoNbS. These compounds are reported to host unconventionally large spontaneous Hall effect despite their vanishingly small net magnetization, and our analysis reveals that it can be explained in terms of the topological Hall effect that originates from the fictitious magnetic field associated with scalar spin chirality. These results indicate that the scalar spin chirality mechanism offers a promising route to the realisation of giant spontaneous Hall response even in compensated antiferromagnets, and highlight intercalated van der Waals magnets as a promising quasi-two-dimensional material platform to enable various nontrivial ways of electrical reading and possible writing of non-coplanar antiferromagnetic domains.

Emergent antiferromagnetism out of the "hidden-order" state in URuSi; High magnetic field nuclear magnetic resonance to 40 T

酒井 宏典; Urbano, R. R.*; 徳永 陽; 神戸 振作; 鈴木 通人; Kuhns, P. L.*; Reyes, A. P.*; Tobash, P. H.*; Ronning, F.*; Bauer, E. D.*; et al.

Physical Review Letters, 112(23), p.236401_1 - 236401_5, 2014/06

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.236401

Si核を完全濃縮したURuSi単結晶を用いて、Si核核磁気共鳴(NMR)を行い、「隠れた秩序」(HO)状態と隣接する磁気相について微視的に調べた。極低温0.4Kで、HO相内22T付近にNMRシフトの異常が見られ、この磁場でフェルミ面不安定性があることを確認した。さらに、磁場をかけるとNMRシフトは顕著に増大し、臨界磁場35.6TのHO相の終焉と共にNMR信号は突然消失した。しかし、以上の温度4.2Kで、HO相に隣接する磁気相のNMRスペクトルを測定できた。このスペクトル形状は、この磁気相の構造がイジング異方性をもつウランの磁気モーメントが並んだものによることを示している。

Observation of the partial Fermi surface quenching in the noncentrosymmetric superconductor MoAlC

小山 岳秀*; 尾崎 穣*; 上田 光一*; 水戸 毅*; 小原 孝夫*; 和氣 剛*; 田畑 吉計*; 道岡 千城*; 吉村 一良*; 鈴木 通人; et al.

Journal of the Physical Society of Japan, 81(Suppl.B), p.SB008_1 - SB008_5, 2012/12

https://doi.org/10.1143/JPSJS.81SB.SB008

最近、結晶構造においてある空間軸に対して反転対称を示さない超伝導体の超伝導相が奇妙な性質を示すことから盛んにその起源やその物性を明らかにすべく盛んに研究が行われている。本論文では、反転対称性の欠如した超伝導体MoAlCについて、正常相において実施されたAl-NMRと比熱測定の結果を報告する。本研究によって観測された核スピンエコーのピークの変化から、超伝導転移温度より高温で相転移が起こっていることが明らかとなり、また、スピン-格子緩和時間の変化から相転移後に伝導電子密度が減少していることを観測した。さらに、第一原理計算によって電子状態の詳細な解析を行うことで正常状態を不安定化するフェルミ面ネスティングの存在を明らかにし、新規秩序相発現機構との関連性を議論した。なお、本研究の成果は、物質の高精度な物性予測を実現するための計算手法の開発の一環として実施されており、原子力物性材料研究の進展にも寄与する成果である。

Emergent rank-5 nematic order in URuSi

池田 浩章*; 鈴木 通人; 有田 亮太郎*; 瀧本 哲也*; 芝内 孝禎*; 松田 祐司*

Nature Physics, 8(7), p.528 - 533, 2012/07

https://doi.org/10.1038/nphys2330

ウラン化合物URuSiが低温において示す隠れた量子秩序相は、長年、多岐に渡る研究がなされてきたが、その秩序構造は未だ明らかにされておらず、固体物理学の一つのミステリーと目されてきた(それゆえ、隠れた秩序相を呼ばれている)。本論文の目的は、第一原理計算手法に基づいて、その隠れた秩序相における秩序構造を同定することにある。本論文では電子状態の詳細な解析結果の報告とともに、URuSiの多極子相関の計算結果から、対称性を持つ多極子のネマティック秩序が有力な秩序状態であることを示した。この結果は、実際に、実験的に観測される異方的な磁気励起、反強磁性秩序状態との競合、4回対称性の破れなどを含む実験結果を包括的に説明することに成功しており、長年の謎を解明する有力な秩序候補と言える。

水理地質構造の不確実性を考慮した水理地質構造のモデル化及び地下水流動解析

井尻 裕二*; 鈴木 俊一*; 杉原 豊*; 下茂 道人*; 山本 肇*; 文村 賢一*

JNC TJ7400 2002-003, 525 Pages, 2002/03

JNC-TJ7400-2002-003.pdf:15.78MB

本研究では,水理地質構造のモデル化手法および地下水流動解析手法に起因した地下水流動解析結果の不確実性を評価することを目的として,連続体モデル2手法と不連続体モデル1手法の併せて3つの手法を用いて東濃地域の正馬様用地を中心とした4km6kmの地域を対象とした3次元地下水流動解析を実施した。解析ケースと得られた知見は,以下に示すとおりである。基本ケースでは,モデル化する解析領域,地質構造,境界条件は同じとして岩盤および月吉断層のモデル化の違いが移行経路に及ぼす影響を評価した。その結果,移行経路には,岩盤部のモデル化手法の違いだけでなく,月吉断層のモデル化の違いが及ぼす影響が大きいと考えられることから,断層や被砕帯などの大規模な地質構造の不確実性を低減することが重要であることがわかった。長期揚水試験解析ケースでは,月吉断層の上盤および下盤からの揚水試験を対象として解析を実施した結果,水頭低下量は,揚水井戸に近く,月吉断層と同じ側にある方が大きな値を 示すことから,基本ケースと同様,月吉断層の透水性を把握する事が重要であることが示された。感度解析ケースでは,境界条件,熱対流,断層構造が地下水流動解析結果に及ぼす影響について検討を行った。その結果,境界条件に関しては,盆地境界で解析領域を設定することにより大局的な地下水流動を模擬でき,境界条件の不確実性を低減できる可能性が示された。熱対流に関しては,現位置で地下水化学や地下水年代とともに深度方向の温度分布を測定することによって地表面からの涵養量の大きさを推定でき,地下水涵養量の不確実性を低減できる可能性が示された。断層構造に関しては.断層の走向と地下水類移動方向との関係から各断層の調査優先度を設定することによって,より合理的な調査手法を確立できる可能性が示された。

アクチナイド化合物の第一原理計算の基礎

鈴木 通人

no journal, , 

本講演では、2012年3月14日から16日にかけてSPring-8で開催されるアクチナイド計算科学スクールにおいて、アクチナイド化合物を中心とした第一原理計算の基礎理論に関する解説を行う。第一原理計算の基本的な枠組みである密度汎関数理論とKohn-Sham理論と、第一原理計算を実施するにあたって必要となる物性の基礎理論、また、アクチナイド化合物の計算において重要となる強相関効果や相対論効果を第一原理計算の枠組みでどのように導入するかについて、詳細な解説を行い、物性物理や原子力分野にてアクチナイド化合物の理論及び計算科学による研究に興味を持つ研究者に対し、第一線の研究手法とその成果を提示する。

モット絶縁体-USにおける5電子遍歴及び局在クロスオーバー

目時 直人; 酒井 宏典; 鈴木 通人; 山本 悦嗣; 芳賀 芳範; 松田 達磨; 池田 修悟*

no journal, , 

-USは、5電子が局在的な性格から遍歴的な性格にクロスオーバーすることを中性子散乱の結果示した。バンド計算の結果USがモット絶縁体であり、小さな-混成ギャップが点近傍に開いてDirac電子のようなバンド分散を示すことが明らかになった。明らかになったバンド構造から、中性子散乱によって観察された5電子の局在-遍歴クロスオーバーは、5電子が昇温によって小さな-混成ギャップを通して励起され、その結果生じる混成効果によって定性的に説明できる。

強相関電子系の多軌道秩序形成における磁気空間対称性と電子状態

鈴木 通人

no journal, , 

希土類・アクチナイド化合物では、希土類・アクチナイドの持つf電子の多軌道性や強相関性が絡み合った多様な秩序状態が実現することが知られているが、多くの物質でその秩序形態を含めた物性が未解明のままである。本発表では、発表者が開発した秩序状態の第一原理計算手法の結果に基づき、これらの多様な秩序状態を磁気空間対称性の観点から理解する試みについての報告を行う。特に、ウランダイカルコゲナイドのキャント強磁性状態やURuSi, NpOの基底状態で実現していると考えられる多極子秩序状態の磁気空間対称性と電子状態のかかわりを明らかにし、これらの物質で観測される未解明の物性現象をいかに理解するかについて、最近の研究状況を報告する。本研究の進展により、未知な物性の多い新規希土類・アクチノイド化合物の諸物性の理解に関する研究の大きな進展を見込むことができる。

非クラマース二重項結晶場基底を持つPr系化合物の四極子秩序と電子状態の理論研究

鈴木 通人

no journal, , 

PrPtBiやPrPb, PrTX(T=Ir, Rh, Ti, V; X=Zn, Al)などのPr系化合物は結晶場基底に非クラマース二重項と呼ばれる、磁場下で縮退の解けない特殊な結晶場基底を持つことが知られており、低温化での四極子秩序の発現などに興味が持たれている。例えば、PrPtBiは1.35Kで四極子秩序を起こし、電気伝導特性から半導体であると考えられているが、詳細な秩序パラメータや絶縁体化機構はわかっていない。また、PrPbは0.4Kで四極子秩序を起こすと考えられ、低磁場下で非整合的な秩序構造が観測されているが、無磁場下の詳細な秩序構造はわかっていない。本研究では、これらのPr系化合物を対象に、第一原理計に基づき四極子秩序相の形成やそれらが電子状態に及ぼす影響を調べた。発表ではこれらの秩序相の秩序パラメータやその電子状態への影響について議論を行う。

First principle theory of multipole ordered state in NpO

鈴木 通人

no journal, , 

本発表は、アクチノイド化合物に関する国際ワークショップ"The 1st ASRC International Workshop"における招待講演であり、NpOの多極子秩序状態の第一原理計算手法による電子状態研究に関する研究成果の発表を行う。NpOは低温で、双極子モーメントを誘起しない磁気多極子による秩序状態が実現していることが知られており、これまでの実験・理論両面からの活発な研究によって、秩序相における秩序パラメータの性質が明らかになってきている。本講演では、この多極子秩序状態の直接的な電子構造計算による電子状態研究に関する研究報告を行う。なお、本発表内容は、既に出版されている論文"First-principles theory of multipolar order in neptunium dioxide": M.-T. Suzuki, N. Magnani, and P.M. Oppeneer, Phys. Rev. B 82, 241103(R)の内容に基づくものである。