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光励起された極端非平衡状態の強相関ワイル金属において移動度2000倍のキャリアが出現することを発見

東京大学物性研究所の松田拓也元特任研究員(現:大阪大学)と松永隆佑准教授は、理学系研究科の中辻知教授及び低温科学研究センターの島野亮教授らのグループ、物性研究所の近藤猛准教授及び吉信淳教授らのグループ、東北大学の是常隆教授のグループと協力し、強相関ワイル金属として知られるマンガン化合物に強い光を照射して極端非平衡状態を作ることで、平衡状態とは質的に異なる伝導特性が現れることを発見しました。

固体中の電子同士の相関によって現れる非自明な多体効果を調べることは物性物理学における中心的な研究テーマです。一方、近年では多体効果なしでも電子のトポロジカルな性質に由来して非自明な応答が現れる物質が相次いで発見され、大きく注目されています。こうしたトポロジカル物質における多体効果の影響を調べることは非常に重要な課題ですが、多くの場合は実験結果の解釈が難しく、未だに分からないことが多いのが現状です。

マンガンとスズの合金であるMn3Snは、磁気秩序に由来して有効質量ゼロの「磁性ワイル粒子」が現れることが初めて実験で示されたトポロジカル物質の代表例です(図1a)。さらに磁化を持たないにも関わらず巨大な異常ホール効果を示すことから、次世代のスピントロニクス材料としても期待されています。一方で、その電子状態は多くの謎に包まれています。電子相関が強く働くことが角度分解光電子分光の研究等から明らかにされており、電流を担うキャリアの有効質量は自由電子の10倍以上にものぼるほか、移動度も極めて低いという、いわゆるバッドメタルであることが知られています。そのためワイル粒子としての電子の伝導特性を直接観測することは容易ではありません。しかしこれまでのMn3Snのほとんどの研究では磁気秩序とトポロジカルな性質の報告が主であり、電子相関とトポロジーが絡み合った新しい現象の発見が待たれていました。

Mu3Snの構造と電子相関イメージ

図1 (a)Mn3Snの結晶構造と特異な磁気秩序。(b)強い電子相関を自由電子によって遮蔽して弱めるイメージ図。

松田元特任研究員らは、Mn3Snに強い光を照射して生じる極端非平衡状態の性質を調べる実験を考案しました。強い電子相関を持つ物質に光パルスを照射して自由電子を大量に注入すると、電子相関が遮蔽されて弱まることで平衡状態とは異なる相が実現するという光誘起相転移の研究がこれまで多くの物質で行われてきました。そのアイデアをMn3Snに適用し、光で作った非平衡状態においてさらにテラヘルツパルスを照射することで、伝導度スペクトルを100フェムト秒(10兆分の1秒)以下の時間分解能で計測するという実験を行いました(図1b)。本研究の大きな特徴は、磁場中で試料を透過したテラヘルツパルスの偏光回転を精密に計測することで、電場と垂直に流れる電流を表すホール伝導度スペクトルを調べたことです。ホール伝導には、外部磁場によって生じる正常ホール効果と、物質内の磁気秩序に由来する異常ホール効果の二つがあります。前者はキャリア移動度が高いほど強く観測される一方、後者は物質のトポロジカルな性質を強く反映します。テラヘルツ周波数帯のスペクトルとしてホール伝導度の周波数依存性を調べることで、正常ホール効果と異常ホール効果を区別することが可能です(図2a, b)。

Mu3Snの構造と電子相関イメージ

図2 (a)(b)正常ホール効果及び異常ホール効果の模式図とその時に期待されるホール伝導度スペクトル。(c)(d)実験で観測されたホール伝導度スペクトルの実部と虚部。平衡状態(黒)では異常ホール効果を示す平坦なスペクトルが現れる。弱く励起(水色)すると平坦なままで実部が減少する。強く励起すると実部の符号が反転するとともに、虚部にピークが生じる。磁場の強さを変えるとピークの位置が変わることから、正常ホール効果であることが確認された。

本研究で初めて用いられた、強い光パルスで極端非平衡状態を作って磁場中でテラヘルツパルスの偏光回転を調べるという手法は、Mn3Snに限らず他の強相関物質においてもその性質を解明し制御する上で重要な手法になると考えられます。

本研究の成果は、2025年1月22日に米国科学誌『Physical Review Materials』にオンライン掲載されました。

論文情報

  • 雑誌名 : Physical Review Materials
  • 題名 : Emergence of high-mobility carriers in topological kagome bad metal Mn3Sn by intense photoexcitation
  • 著者名 : Takuya Matsuda, Tomoya Higo, Kenta Kuroda, Takashi Koretsune, Natsuki Kanda, Yoshua Hirai, Hanyi Peng, Takumi Matsuo, Cedric Bareille, Andrey Varykhalov, Naotaka Yoshikawa, Jun Yoshinobu, Takeshi Kondo, Ryo Shimano, Satoru Nakatsuji, and Ryusuke Matsunaga
  • DOI:10.1103/PhysRevMaterials.9.014202

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(公開日: 2025年01月23日)