異常ホール効果の超高速変化を１０兆分の１秒の時間で観測することに成功～ミクロなメカニズムを解明する新手法を開拓～（JST）

2023.04.07更新

ポイント

磁性体特有の現象である異常ホール効果に注目し、光パルスを当てた直後に生じる超高速変化を１０兆分の１秒の時間で観測することに初めて成功した。

異常ホール効果は一般にトポロジカルな性質に由来するか、不純物に由来するかのいずれかであり、それを異常ホール効果の超高速変化から判別可能であることを示した。

本研究成果は、磁気記録媒体での情報の書き込みと読み出し速度の限界を決めるメカニズムを明らかにするものとしても注目される。

　東京大学物性研究所の松田拓也特別研究員（日本学術振興会特別研究員（ＰＤ））、松永隆佑准教授らの研究グループおよび同大学大学院理学系研究科物理学専攻の中辻知教授、肥後友也特任准教授らのグループは、東北大学理学研究科物理学専攻の是常隆准教授および東京大学低温科学研究センターの島野亮教授らの研究グループと協力して、磁性体に光を当てたときに異常ホール効果が超高速に変化する様子を１０兆分の１秒の時間スケールで観測することに初めて成功し、その変化からミクロなメカニズムを解明できることを示しました。

　磁性体に電場をかけると、電場と平行方向だけでなく垂直方向にも電流が生じることが知られています。これは異常ホール効果と呼ばれ、通常の電気伝導と違ってエネルギー損失のない無散逸電流が生じるなどの興味深い特徴があります。近年では物質が持つトポロジカルな性質とも深く関連することが明らかになり、異常ホール効果は一層大きな注目を集めています。一方で、不純物によって電子が散乱されることに起因する異常ホール効果も存在するため、異常ホール効果が観測されるたびにそのミクロなメカニズムがどちらに由来するものなのかが必ず議論の対象になっています。

　本研究では、トポロジカル磁性体に対して非常に短い光パルスを照射し、それによって生じる異常ホール効果の変化を１０兆分の１秒の時間スケールで調べる実験を初めて実現しました。これは、物質に光が当たることでまず電子のみがエネルギーを受け取って高温状態になり、それからエネルギーが格子やスピンに行き渡る前のごくわずかな時間に異常ホール効果を測定したことに相当します。その結果、通常の電気伝導度はほぼ変化しないにもかかわらず、異常ホール効果は４０パーセントも急激に減少する様子を観測しました。この実験結果は、トポロジカルな性質が起源だとするとよく説明できる一方、不純物散乱由来だとすると全く整合しません。つまり本研究は、光パルスを当てた直後の異常ホール効果を調べることで、ミクロなメカニズムを解明する新たな道筋を示しました。また、異常ホール効果は磁性体に埋め込まれた磁気情報を電流によって読み出す手段としても重要です。１０兆分の１秒程度の時間スケールで異常ホール効果の変化のメカニズムを解明したことは、高速磁気情報処理デバイスの開発においても重要な設計指針になると考えられます。

　本研究成果は、国際科学雑誌「ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ」の２０２３年３月２１日付け（現地時間）オンライン版に公開されます。

本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ）戦略的創造研究推進事業さきがけ「トポロジカル材料科学と革新的機能創出」研究領域（研究総括：村上修一）における研究課題「トポロジカル半金属を用いたテラヘルツ高速エレクトロニクス・スピントロニクス素子開拓」課題番号ＪＰＭＪＰＲ２０ＬＡ（研究者：松永隆佑）、未来社会創造事業「スピントロニクス光電インターフェースの基盤技術の創成」課題番号ＪＰＭＪＭＩ２０Ａ１（代表者：中辻知）、並びに文部科学省科学研究費補助金基盤研究（Ｂ）「モノサイクル高強度テラヘルツ磁場発生技術開拓とワイル磁性制御」課題番号１９Ｈ０１８１７（研究代表者：松永隆佑）、特別研究員奨励費「空間反転対称性の破れたワイル半金属における非線形テラヘルツ応答の解明」課題番号２１Ｋ１３８５８（研究代表者：松田拓也）、若手研究「テラヘルツ分光によるワイル反強磁性体の電磁応答の解明と高速制御」課題番号２０Ｊ０１４２２（研究代表者：松田拓也）、および基盤研究（Ａ）「ワイル磁性体における電気磁気応答の発現機構の解明」課題番号ＪＰ１９Ｈ００６５０（研究代表者：中辻知）の一環として行われました。

＜プレスリリース資料＞

本文　PDF（642KB）

＜論文タイトル＞

“Ultrafast Dynamics of Intrinsic Anomalous Hall Effect in the Topological Antiferromagnet Mn3Sn”

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