国立大学法人東北大学
国立大学法人東京大学
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）
概要
近年トポロジー（数学の分野である位相幾何学）の観点から固体の物性を理解し、素子に応用しようとするトポロジカル物質科学が注目を集めています。トポロジカルな物性の発現には、結晶中の周期的な原子の並びによる長距離の結晶秩序と、それと表裏一体の電子のバンド構造が重要と考えられています。これに対し、原子の周期性が短距離にしか存在しないアモルファス状態は、トポロジカル物質の際立った物性を引き出すことに不向きと考えられていました。
東北大学金属材料研究所の藤原宏平准教授と塚﨑敦教授、東京大学大学院工学系研究科の加藤康之講師と求幸年教授、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の阿部仁准教授らの研究グループは、鉄とスズのアモルファス薄膜を用いた実験とモデル計算で、主に結晶で議論されてきたバンドトポロジーの概念が、各種応用に適したアモルファス状態でも有効であることを初めて明らかにしました。本研究ではアモルファス薄膜中のごく短距離の原子の秩序が寄与することで、結晶と同等の巨大な異常ホール効果および異常ネルンスト効果が生じることを実証することに成功しました。
この成果はトポロジカル物質の枠組みを大きく広げるだけでなく、結晶よりも安価に作製できるアモルファス薄膜を活用した素子の開発にも貢献し、ひいてはモノのインターネット（IoT）の実現に向けたセンシング技術の高度化にも寄与すると期待されます。この共同研究ではKEKフォトンファクトリーのBL-9Aで実験を行いました。
本研究成果は2023年6月13日（英国夏時間）に、科学誌Nature Communicationsオンライン版に掲載されました。
本研究成果のポイント
- 結晶ではホットな研究テーマであるバンドトポロジーについて、これまで研究の対象外であったアモルファスでの評価に取り組みました。
- 鉄（Fe）とスズ（Sn）のアモルファス薄膜でも結晶と同等の巨大な異常ホール効果および異常ネルンスト効果を観測し、その機構としてトポロジカルな電子状態の寄与を初めて解明しました。
- アモルファスベースの高性能磁気センサや熱流センサの実現に向けての前進が期待されます。
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