4f磁性トポロジカル半金属薄膜における量子輸送現象の開拓

磁性を持つトポロジカル半金属相（磁性ワイル半金属相）は、カイラリティと呼ばれる相対論的量子数に特徴づけられた３次元的なバンド縮退点（ワイル点）のペアを持ち、ワイル点の巨大なベリー位相とカイラリティに由来する、特異な量子化伝導や電荷・磁化の結合が予想されている。本研究では、磁性ワイル半金属の候補物質として理想的なエネルギー構造を実現するEuCd2As2およびその関連物質について、分子線エピタキシー法による高品質薄膜・ヘテロ構造を作製し、その量子化伝導・スピン伝導の解明を目指すものである。初年度においては、格子整合の良いCdTe基板上での良質なEuCd2As2薄膜の成長条件の探索に注力し、互いに高い蒸気圧を持つCdとAsの供給比や、成長温度を制御することにより、高い結晶性を持つEuCd2As2の(001)軸配向した薄膜試料の作製に成功した。一方、電気伝導性を評価したところ、理想的な化学量論組成に近い試料では、低温でキャリアが局在化し絶縁体的な振舞を示すことが分かり、輸送特性の評価には、電界効果や化学置換によって、キャリアを導入する必要性を明らかにした。また、AsをSbに置換した磁性ワイル半金属物質EuCd2Sb2についても、薄膜作製に成功しており、高移動度な高品質試料において、ベリー位相を反映した系統的な磁気抵抗効果の解明に成功した。

磁性を持つトポロジカル半金属相（磁性ワイル半金属相）は、カイラリティと呼ばれる相対論的量子数に特徴づけられた３次元的なバンド縮退点（ワイル点）のペアを持ち、ワイル点の巨大なベリー位相とカイラリティに由来する、特異な量子化伝導や電荷・磁化の結合が予想されている。本研究では、磁性ワイル半金属の候補物質として理想的なエネルギー構造を実現するEuCd2As2およびその関連物質について、分子線エピタキシー法による高品質薄膜・ヘテロ構造を作製し、その量子化伝導・スピン伝導の解明を目指すものである。初年度においては、格子整合の良いCdTe基板上での良質なEuCd2As2薄膜の成長条件の探索に注力し、互いに高い蒸気圧を持つCdとAsの供給比や、成長温度を制御することにより、高い結晶性を持つEuCd2As2の(001)軸配向した薄膜試料の作製に成功した。一方、電気伝導性を評価したところ、理想的な化学量論組成に近い試料では、低温でキャリアが局在化し絶縁体的な振舞を示すことが分かり、輸送特性の評価には、電界効果や化学置換によって、キャリアを導入する必要性を明らかにした。また、AsをSbに置換した磁性ワイル半金属物質EuCd2Sb2についても、薄膜作製に成功しており、高移動度な高品質試料において、ベリー位相を反映した系統的な磁気抵抗効果の解明に成功した。