磁性トポロジカル半金属の薄膜・ヘテロ構造を用いた量子輸送現象の解明と新奇相開拓

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当初の計画通りに、磁性ワイル半金属における巨大な異常ホール伝導度の起源を明らかにすることに成功した。磁性ワイル半金属は、三次元のバルク状態が波数空間でギャップレスな線形分散を持ち、磁気モノポールとも見なせるワイル点に由来した巨大な異常ホール効果が期待できる。磁性ワイル半金属EuCd2Sb2薄膜を分子線エピタキシー(MBE)法を用いて作製し、Sbの蒸気圧制御によってキャリア密度を変調した。その結果、異常ホール伝導度のピークを観測し、第一原理計算の結果と比較することで、フェルミ準位のワイル点通過に伴うピークであることを明らかにした。その後、MBE装置の移設に伴って研究計画を変更し、パルスレーザー堆積法を用いた準安定相の安定化とそれらのヘテロ構造化に取り組んだ。蛍石構造のYSZ基板上にBinOn(n=2,3)層とRhO2層が交互に積層した新物質[BinOn]-[RhO2](n=2,3)を安定化させることに成功し、BinOn層の層数に依存した金属的な輸送特性を観測した。また、YSZ基板上にパイロクロア型酸化物Eu2Ti2O7をバッファー層として導入することで、電気伝導性パイロクロア型酸化物Bi2Rh2O7という準安定相の安定化に成功した。この結果は、界面制御が相安定時にもたらす強い影響を示しており、薄膜技術を用いたパイロクロア型酸化物のさらなる物性・材料開拓につながると期待される。さらに、Bi2Rh2O7とスピンアイスという特異な磁気構造を有するDy2Ti2O7とのヘテロ構造を作製することで、絶縁体のDy2Ti2O7のスピン構造や磁気転移を金属のBi2Rh2O7におけるトポロジカルホール効果として電気的に検出することに成功した。これは、絶縁体であるためこれまで電子素子応用に至っていなかった磁性絶縁体のエレクトロニクス応用に向けた大きな発見である。