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。

Neutron scattering study on -US

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の中性子散乱による磁気励起の研究結果について報告する。低温では局在5電子の存在を意味する結晶場励起が観察され、その励起エネルギー7meVは帯磁率や比熱、磁化の測定から明らかにされたUイオンの5配置を仮定したレベルスキームと矛盾なく、また、この物質の伝導ギャップ90Kと非常に近い。昇温によってこのギャップ以上に5電子を励起すると磁気励起に準弾性散乱が観察され、5電子の性格が局在的から遍歴的に変化することが明らかになった。これらの物性とバンド計算の結果について議論する。

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 study of multipole ordered states in URuSi

鈴木 通人

no journal, , 

近年のアクチナイド関連物質の研究において、多極子秩序相と呼ばれる新奇秩序相の存在が明らかとなり、物質の新しい量子相都市と多くの注目を集めている。特にURuSiでは、長年の研究にもかかわらず、低温相における秩序状態が解明されておらず、高次多極子秩序による理論的解釈が試みられている。本発表では、上記課題に対して、第一原理計算手法に基づく多極子秩序状態の直接計算から得られた知見を報告する。上記課題解決にあたっては、著者独自の計算手法であるFLAPW-LDA+U法を応用した多極子秩序状態の計算手法を適用し、異なる多極子秩序間における電子構造の差異が非常に小さい事が明らかとなり、dHvA効果の観測実験で報告されている高温相と低温秩序相におけるフェルミ面の類似性を説明することに成功している。本研究により得られた知見により、アクチナイド化合物における新奇秩序相の研究、ひいては物性予測等が格段に進展すると考えられる。

ウランダイカルコゲナイドの中性子散乱実験

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, , 

バンド計算の結果から、ウランカルコゲナイドは磁場中又は磁気秩序した状態で反強磁性成分を伴うキャント磁性を示すことが期待されている。これを明らかにしてバンド計算の妥当性を確認する目的で、UTeSの中性子弾性散乱実験を行った結果について報告する。

アクチノイド化合物の第一原理計算の基礎

鈴木 通人

no journal, , 

物質設計や物性予測研究は近年大きな進展を見せているが、その原動力となっているのが第一原理計算に基づく電子状態解析である。この第一原理計算は軽元素からなる物質系において高精度に電子状態を予測できる計算手法として、近年著しく普及しているが、アクチノイド化合物のような電子家を含む物質に対する適用にはまだ問題点が多く、高精度な計算を行うには高度な知識と経験に基づく解析が必要になる。本アクチノイド計算科学スクールでは、このようなアクチノイド物質を対象とした第一原理計算や分子動力学の習得を目的として開催され、申請者はアクチノイド計算科学における第一原理計算手法の講義を行う講師として本スクールから招へいされている。講義では申請者の専門分野である第一原理計算に基づくアクチノイド物質の電子状態計算手法をはじめ、第一原理計算の理論的枠組みについて解説を行う。