悪魔の階段型の磁気転移と呼ばれる相転移を示す磁性体において、電子スピンの揺らぎによって巨大な異常ホール効果が生じることを見いだしました。 巨大異常ホール効果は環境発電技術の一つである磁気熱電変換の原理ともかかわっており、新しい熱電変換材料の開拓にもつながることが期待されます。
磁場のかかった金属試料に電流を流すと、ローレンツ力と呼ばれる力が働き、 磁場と電流の双方に垂直な向きに電位差（電圧）が生じます。この現象をホール効果と言います。 そして、金属が磁性を持つ場合（金属磁性体）は、外部磁場をかけなくても類似の現象が生じます。 これは異常ホール効果と呼ばれ、一般的には強磁性体のようにミクロな磁石である電子のスピンが整列した状態で顕著に見られる現象です。 ただし、電子のスピン整列は通常、一定温度（磁気転移温度）以下でないと生じないため、 異常ホール効果も磁気転移温度より高温のスピン配列が乱れた状態ではほとんど消失します。 原理的には、磁気転移温度を超えても、外から磁場をかけてスピンを整列させれば異常ホール効果は生じますが、 その大きさは通常、極めて小さいことが知られています。
本研究では、「悪魔の階段型の磁気転移」と呼ばれる風変わりな磁気転移を示す磁性体SrCo6O11で、 磁気転移温度以上の温度で大きな異常ホール効果が生じることを見いだしました。 特に異常ホール効果の大きさ（異常ホール角）が、よく知られた磁性酸化物の中では最大級であることが分かりました。 その起源を詳しく調べたところ、スピン反転揺らぎと呼ばれる風変わりなスピンの揺らぎによって伝導電子が強く散乱されることに由来している 可能性が高いことが明らかになりました。
大きな異常ホール効果は、環境発電技術の一つである磁気熱電変換の原理とも深くかかわっています。 本研究により、その物質設計の新原理が得られたことで、新しい熱電変換材料の開拓にも大きく貢献することが期待されます。
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プレスリリース
研究代表者
筑波大学数理物質系
藤岡 淳 准教授
東京工業大学理学院
石塚 大晃 准教授
大阪大学大学院基礎工学研究科
石渡 晋太郎 教授
掲載論文
【題名】 Large Anomalous Hall Effect in Spin Fluctuating Devil’s Staircase
（揺らいでいる磁気的悪魔の階段による大きな異常ホール効果） 【掲載誌】 npj Quantum Materials 【DOI】 10.1038/s41535-024-00653-3