非磁性材料における異常ホール効果の観測

スピン磁化がなくても電子は曲がる～

2025（令和7）年9月3日
東京科学大学
豊田理化学研究所
科学技術振興機構（JST）

発表のポイント

通常の磁化を持たない非磁性材料において異常ホール効果を初めて観測
特定の非磁性材料では極めて大きな異常ホール効果が現れることを定量的に実証
軌道磁化に基づく電子物性の開拓や次世代デバイスへの応用研究に期待

東京科学大学（Science Tokyo） 理学院 物理学系の打田 正輝 准教授の研究グループは、同 石塚 大晃 准教授の研究グループと共同で、通常の磁化を持たない非磁性材料における異常ホール効果の観測に初めて成功しました。
ホール効果は、磁場や磁化に垂直な面内で電子の進む向きが曲げられる現象として、電子物性の理解やデバイス応用の基礎を支えてきました。これまでに、金などの非磁性材料での正常ホール効果や、鉄などのスピン磁化を持つ磁性材料でのより複雑な異常ホール効果が知られています。さらに最近の理論研究では、非磁性材料においても異常ホール効果が現れる可能性が示唆されていますが、その成分が明確に観測された例はありませんでした。
本研究では、トポロジカル物質の一種であり、非磁性材料でありながら特異な電子構造を持つディラック半金属に着目しました。分子線エピタキシー法という結晶成長手法によってディラック半金属Cd3As2の高品質な薄膜を作製し、面内磁場を印加した電気伝導測定を行いました。その結果、面内磁場の回転に対する3回回転対称性や非単調な磁場依存性などの特徴的な振る舞いという形で、軌道磁化が顕在化した異常ホール効果が定量的に観測され、その異常ホール角は非常に高い値になることが分かりました。
本成果は、非磁性材料におけるホール効果の常識を覆すものであり、軌道磁化に基づく電子物性の開拓や次世代デバイスへの応用研究への展開が期待されます。
本研究成果は、米国物理学会誌「Physical Review Letters」に2025年9月2日付（米国東部時間）でオンライン掲載されました。
本研究は、科学技術振興機構（JST） 創発的研究支援事業（JPMJFR202N）、同 戦略的創造研究推進事業 さきがけ（JPMJPR2452）、日本学術振興会（JSPS） 科学研究費助成事業（JP22K20353、JP23K13666、JP23K03275、JP24H01614、JP24H01654、JP25H00841、JP25K17947）、豊田理化学研究所 ライジングフェロー制度、村田学術振興・教育財団助成、「東工大の星」特別賞【STAR】、池谷科学技術振興財団助成の支援のもと実施されました。

＜プレスリリース資料＞

本文　PDF（1.17MB）

＜論文タイトル＞

“Anomalous Hall Effect in the Dirac semimetal Cd₃As₂ Probed by In-plane magnetic Field”

DOI：10.1103/5d7l-mr7k

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