【本学研究者情報】

〇大学院理学研究科　物理学専攻　准教授　是常隆
研究室ウェブサイト

〇金属材料研究所　教授　塚﨑敦
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• ヘッジホッグ格子（注１）と呼ばれる特殊なスピン構造によって、光のねじれ現象である磁気光学効果が巨大化することを発見しました
• 観測した磁気光学効果の共鳴が異常ホール効果（注２）?トポロジカルホール効果（注３）と呼ばれる電子の軌道が曲がる現象の起源であることがわかりました。
• 今後のテラヘルツ帯（注４）の光学デバイスや、磁気メモリの読み取りデバイスの開発につながることが期待できます

【概要】

伝導電子と磁性との相互作用の結果、電流と垂直方向に電圧が生じる現象は「異常ホール効果」と呼ばれ、基礎研究?デバイス応用の両観点から大きな注目を集めています。異常ホール効果が生じるメカニズムはこれまでに様々な観点で研究されており、近年では電子構造のトポロジー（注５）が重要な役割を担っていることが明らかになっています。最近では、さらにトポロジカルな磁気構造の形成により発現するホール効果（トポロジカルホール効果）が観測され、大きな注目を集めています。しかし、トポロジカルホール効果に関しては、その発現機構の解明に迫る実験的手段は限定されていました。

東京大学大学院工学系研究科の林悠大大学院生と岡村嘉大助教、金澤直也講師、高橋陽太郎准教授、理化学研究所創発物性科学センターの十倉好紀センター長を中心とする研究グループは、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授、東北大学大学院理学研究科物理学専攻の是常隆准教授、東京大学大学院工学系研究科の余同樺大学院生、有田亮太郎教授、市川昌和名誉教授、川﨑雅司教授らの研究グループと共同で、カイラル磁性体MnGe(Mn: マンガン、Ge: ゲルマニウム)の薄膜において、トポロジカル磁気構造の形成に由来する巨大な磁気光学効果を発見しました。

MnGe薄膜では、低温においてヘッジホッグ格子と呼ばれる特異なスピン構造（トポロジカルスピン構造）に由来した、トポロジカルホール効果を生じることが知られています。今回、林悠大大学院生らはテラヘルツ帯において、磁気光学ファラデー効果（注６）の測定を行いました。その結果、ファラデー効果が急峻に増大する特徴的な共鳴スペクトルを観測することに成功しました。理論モデルによる解析からこの共鳴構造がMnGeの異常ホール効果やトポロジカルホール効果の主たる起源であることがわかりました。

今回得られた成果は、トポロジカルスピン構造が電子状態に強く干渉し巨大なトポロジカルホール効果を発現させることを強く示唆しています。本成果は今後、トポロジカル磁気構造を利用した新しい光デバイスの開発へとつながることが期待されました。

本研究成果は、英国科学雑誌「Nature Communications」に英国時間10月13日に掲載されました。

本研究は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業CREST「ナノスピン構造を用いた電子量子位相制御ナノスピン構造を用いた電子量子位相制御（研究代表者：永長直人）」(No.JPMJCR1874)、日本学術振興会(JSPS)科学研究費若手研究「磁気スキルミオンによる新奇トポロジカル電荷ダイナミクスの探索（研究代表者：岡村嘉大）」(No. 19K14653)の支援を受けて行われました。

【用語解説】

（注１）ヘッジホッグ格子
物質中の最小の磁石であるスピンが数多く集まり、ハリネズミ（ヘッジホッグ）型の構造が自発的に生じることがある。物質中ではスピンが中心または外側を向くヘッジホッグ?反ヘッジホッグが周期的に並んだ３次元格子を形成する。これらが伝導電子と相互作用してトポロジカルホール効果が生じる。

（注２）異常ホール効果
磁場を電流が流れる平面に垂直に印加したときに、磁場と電流の方向の両方に垂直な方向に電圧が生じる現象をホール効果と呼ぶ。これは一般的に金属において見られる現象であるが、磁性体においては多くの場合磁化の大きさに比例するような振る舞いが見られる。これを異常ホール効果と呼ぶ。

（注３）トポロジカルホール効果
スピンの集団が立体的な構造をとるときに現れる異常ホール効果。磁気スキルミオンやヘッジホッグ格子などのトポロジカルスピン構造において観測される。

（注４）テラヘルツ帯
波長やエネルギーが可視域とマイクロ波の中間に位置する光学領域を指し、テラヘルツ(1012Hz)程度の周波数を持つ。伝導電子や磁性に起源を持つ応答が現れることが多い帯域である。

（注５）トポロジー
位相幾何学。物理学では近年、電子状態を幾何学的性質に基づいて分類することで物理現象を理解する試みが活発に行われている。

（注６）磁気光学ファラデー効果
磁性体中を進行する光の偏光が回転する現象。磁気メモリデバイスやアイソレーターの基礎原理として用いられている。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関するお問合せ）
東北大学 大学院理学研究科 物理学専攻
准教授 是常 隆（これつね たかし）
E-mail：koretsune*cmpt.phys.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

（報道に関するお問合せ）
東北大学 大学院理学研究科
広報?アウトリーチ支援室
Tel：022-795-6708
E-mail：sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）