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東大・東北大・理研、カゴメ格子強磁性体 Fe3Snの多結晶体で巨大な磁気熱電効果を発見

発表日:2022年01月15日

カゴメ格子に由来する磁気熱電効果の増大機構の発見

-高機能磁気熱電変換材料の新たな物質設計指針へ-

1.発表者:

見波 将(研究当時:東京大学大学院理学系研究科 物理学専攻 特任研究員/現在:東京大学大学院理学系研究科 物理学専攻 特任助教/理化学研究所 創発物性科学研究センター計算物質科学研究チーム 客員研究員)

酒井 明人(東京大学大学院理学系研究科 物理学専攻 講師)

野本 拓也(東京大学大学院工学系研究科 物理工学専攻 助教/理化学研究所 創発物性科学研究センター計算物質科学研究チーム 客員研究員)

平山 元昭(東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター 特任准教授/理化学研究所 創発物性科学研究センター トポロジカル材料設計研究ユニット ユニットリーダー)

是常 隆(東北大学大学院理学研究科 物理学専攻 准教授/理化学研究所 創発物性科学研究センター計算物質科学研究チーム 客員研究員)

有田 亮太郎(東京大学大学院工学系研究科 物理工学専攻 教授/理化学研究所 創発物性科学研究センター計算物質科学研究チーム チームリーダー併任)

中辻 知(東京大学大学院理学系研究科 物理学専攻 教授/東京大学物性研究所 量子物質研究グループ 特任教授/トランススケール量子科学国際連携研究機構 機構長 併任)

2.発表のポイント:

◆カゴメ格子(注1)強磁性体 Fe3Snの多結晶体において、鉄単体の約10倍の巨大な磁気熱電効果を発見しました。

◆ノーダルプレーンと呼ばれる特殊な電子状態が、巨大な磁気熱電効果(注2)の起源であることを示しました。

◆カゴメ格子に由来する磁気熱電効果の増大機構の発見は、高性能な磁気熱電材料を実現するための新たな物質設計指針になることが期待されます。

3.発表概要:

東京大学大学院理学系研究科の見波 将 特任研究員、酒井 明人 講師、中辻 知 教授らの研究グループは、東北大学大学院理学研究科の是常 隆 准教授(理化学研究所 創発物性科学研究センター 計算物質科学研究チーム 客員研究員)、東京大学大学院工学系研究科の野本 拓也 助教(理化学研究所 創発物性科学研究センター 計算物質科学研究チーム 客員研究員)、平山 元昭 特任准教授(理化学研究所 創発物性科学研究センター トポロジカル材料設計研究ユニット ユニットリーダー)、有田 亮太郎 教授(理化学研究所 創発物性科学研究センター 計算物質科学研究チーム チームリーダー)らの研究グループと協力して、鉄を主とするカゴメ格子強磁性体 Fe3Snにおいて巨大な磁気熱電効果(=異常ネルンスト効果)が発現することを発見しました。加えて、第一原理計算(注3)を用いたコンピュータシミュレーションによる電子状態の解析の結果、ノーダルプレーンと呼ばれる特殊な電子状態が、カゴメ格子強磁性体 Fe3Snにおける巨大な磁気熱電効果の起源となっていることが明らかとなりました。

磁気熱電効果の性能は、物質固有の電子状態や波動関数のトポロジーに由来する物理量(=ベリー曲率(注4))が一端を担っています。磁気熱電効果の増大機構はこれまで未解明の部分が多くありましたが、今回発見したカゴメ格子に由来するノーダルプレーンと呼ばれる電子状態により巨大なベリー曲率が誘起し、磁気熱電効果が増大していることが明らかとなりました。また、このような特異な電子構造はカゴメ格子構造を持つ磁気熱電材料に発現する可能性があります。本研究で発見したカゴメ格子に由来する磁気熱電効果の増大機構は、今後の高機能磁気熱電変換材料の新たな物質設計指針になると期待されます。

本研究成果は米国科学誌 Science Advances(2022年1月15日)に掲載される予定です。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/625217/01_202201121640.pdf

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