Cr$_{1+\delta}$Te$_2$における競合するベリー曲率による真性異常ホール効果の抑制

核心概念

層状カルコゲニドCr$_{1+\delta}$Te$_2$は、ベリー曲率の競合により真性異常ホール効果が抑制される。

要約

Cr$_{1+\delta}$Te$_2$における競合するベリー曲率による真性異常ホール効果の抑制： 研究概要

本研究は、層状カルコゲニド化合物であるCr$_{1+\delta}$Te$_2$ (δ ∼0.33)の磁気特性、磁気輸送特性、電子構造について、実験と理論の両面から包括的に調査したものです。

結晶構造と磁気特性

Cr$_{1+\delta}$Te$_2$は、層状の三方晶構造を持ち、結晶学的c軸に沿って層が積み重なっている。
磁化測定と磁気輸送測定から、磁化容易軸がc軸方向である強い磁気異方性を示すことがわかった。
磁化率の温度依存性をキュリー・ワイス則でフィッティングした結果、キュリー・ワイス温度は正の値となり、強磁性交換相互作用が支配的であることが示唆された。
磁化の温度依存性測定において、加熱時と冷却時の曲線間に熱ヒステリシスが観測された。これは、一次磁気転移を示唆するものである。
熱ヒステリシス領域において、等構造格子異常も観測され、磁気モーメントと格子の結合を示唆している。
磁気輸送特性

異常ホール効果を示し、その大きさは組成や温度に大きく依存する。
ホール効果の解析から、異常ホール効果への寄与は、主に外因性のスキュー散乱に由来することが示唆された。
バンドトポロジーに由来する真性異常ホール効果は、観測されなかった。

電子構造とベリー曲率

第一原理電子構造計算を行い、真性異常ホール効果が存在しない理由を調べた。
運動量空間における高対称方向に沿って、フェルミエネルギー近傍にノダルポイント（バンド交差）が存在することがわかった。
c軸方向の磁気秩序とスピン軌道相互作用の存在下では、ノダルポイントにおける縮退が解け、DFT+SOC計算により、正と負の両方のベリー曲率値が異なる交差点に存在することが明らかになった。
ベリー曲率の値は大きいが、互いに相殺し合うため、バンドトポロジーに由来する真性異常ホール効果は無視できる程度になる。
研究の意義
本研究は、Cr$_{1+\delta}$Te$_2$における真性異常ホール効果の抑制が、ベリー曲率の競合に起因することを明らかにした。これは、層状磁性材料における異常ホール効果の起源と制御に関する理解を深める上で重要な知見である。

抽出されたキーインサイト

Suppression of Intrinsic Hall Effect through Competing Berry Curvature in Cr$_{1+\delta}$Te$_2$

by Prasanta Cho... 場所 arxiv.org 11-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.14045.pdf

深掘り質問

Cr$_{1+\delta}$Te$_2$以外の層状カルコゲニドにおいても、同様のベリー曲率の競合による真性異常ホール効果の抑制は観測されるだろうか？

Cr$_{1+\delta}$Te$_2$以外の層状カルコゲニドにおいても、ベリー曲率の競合による真性異常ホール効果の抑制が観測される可能性は十分にあります。
これは、層状カルコゲニド材料群において、以下のような要因がベリー曲率の競合と真性異常ホール効果の抑制に寄与する可能性があるためです。

空間反転対称性の破れ: 多くの層状カルコゲニドは空間反転対称性を破っており、これがベリー曲率を生み出す要因となります。空間反転対称性の破れ方は物質によって異なり、ベリー曲率の符号や大きさに影響を与えるため、競合による抑制が生じる可能性があります。
多バンド構造: 層状カルコゲニドは遷移金属のd軌道とカルコゲンのp軌道が混成した複雑な電子構造を持つため、複数のバンドがフェルミ準位付近に存在することがあります。このような多バンド構造においては、各バンドが持つベリー曲率が互いに競合し、真性異常ホール効果を抑制する可能性があります。
スピン軌道相互作用: スピン軌道相互作用はベリー曲率の大きさと符号に影響を与える重要な要素です。層状カルコゲニドでは、遷移金属の種類や結晶構造によってスピン軌道相互作用の大きさが異なるため、ベリー曲率の競合に影響を与える可能性があります。

実際に、層状カルコゲニドであるWTe$_2$においても、ベリー曲率の競合による真性異常ホール効果の抑制が報告されています[1]。
上記のように、ベリー曲率の競合による真性異常ホール効果の抑制は、Cr$_{1+\delta}$Te$_2$以外の層状カルコゲニドにおいても普遍的に見られる可能性があります。
[1] S. Nandy et al., "Unusual Hall effect from Berry curvature pumping in a magnetic Weyl semimetal," Physical Review B 102.20 (2020): 201117.

本研究では、スキュー散乱が異常ホール効果の主要な要因として挙げられているが、他の外因性メカニズム（サイドジャンプなど）の影響はどの程度考えられるのだろうか？

本研究では、異常ホール効果のフィッティングに修正スケーリング則を用い、その結果からスキュー散乱が支配的であると結論付けています。サイドジャンプ項の係数βは4.41 S cm$^{-1}$と見積もられていますが、これは他の物質と比較して小さな値ではありません。
サイドジャンプの影響をより詳細に評価するためには、以下のような点を確認する必要があります。

試料依存性: サイドジャンプの寄与は、試料の品質や不純物の種類に影響を受けやすいと言われています。本研究で用いられた試料以外のCr$_{1+\delta}$Te$_2$、あるいは他の層状カルコゲニドにおいて、サイドジャンプの寄与が大きくなる可能性も考えられます。
温度依存性: スキュー散乱とサイドジャンプは、温度依存性が異なることが知られています。本研究では、広い温度範囲での異常ホール効果の測定が行われていますが、より詳細な温度依存性を調べることで、サイドジャンプの寄与を分離できる可能性があります。
第一原理計算: サイドジャンプの大きさを理論的に見積もるためには、電子構造計算に基づいた詳細な解析が必要です。本研究ではベリー曲率の計算が行われていますが、サイドジャンプの寄与を直接評価したわけではありません。

以上の点を踏まえ、本研究の結果はスキュー散乱の重要性を示唆していますが、サイドジャンプの影響を完全に無視することはできません。さらなる実験と理論計算によって、それぞれの外因性メカニズムの寄与をより正確に評価する必要があります。

ベリー曲率の制御は、新規スピントロニクス素子の開発にどのように応用できるだろうか？

ベリー曲率の制御は、電子の流れをスピン自由度と結びつける新しいスピントロニクス素子の開発に大きく貢献する可能性を秘めています。以下に、具体的な応用例とベリー曲率の制御がもたらす利点を示します。

低消費電力メモリ: ベリー曲率を持つ物質においては、電流を流すことなく磁化の向きを反転できる可能性があります。これを利用すれば、従来の電流駆動型の磁気メモリに比べて消費電力を大幅に削減できる可能性があります。ベリー曲率の大きさと符号を制御することで、磁化反転に必要なエネルギーや動作速度を最適化できる可能性があります。
高効率な電流-スピン変換: ベリー曲率は、電流からスピン流への変換効率を向上させる可能性があります。従来のスピントロニクス素子では、スピン軌道相互作用を利用した電流-スピン変換が主流でしたが、ベリー曲率を利用することで、より効率的な変換が可能になる可能性があります。ベリー曲率の制御は、変換効率の向上だけでなく、スピン流の方向や強度を制御する上でも重要となります。
新規スピントランジスタ: ベリー曲率を利用した新しい動作原理のスピントランジスタも提案されています。例えば、ベリー曲率の符号を変えることで、スピン流をオン・オフするトランジスタなどが考えられます。ベリー曲率の制御は、このような新規スピントランジスタの実現に不可欠な技術となります。

これらの応用例は、ベリー曲率の制御がスピントロニクス素子の性能向上や新規機能の実現に大きく貢献することを示しています。ベリー曲率の制御技術を確立することで、省エネルギー化、高速化、高機能化を実現する次世代スピントロニクス素子の開発が期待されます。