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【本学研究者情报】

〇金属材料研究所　准教授　藤原宏平
金属材料研究所　教授　塚﨑敦

【発表のポイント】

• 结晶ではホットな研究テーマであるバンドトポロジー^（注１）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评価に取り组みました。
• 鉄（贵别）とスズ（厂苍）のアモルファス薄膜でも结晶と同等の巨大な异常ホール効果および异常ネルンスト効果^（注２）を観测し、その机构としてトポロジカルな电子状态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热流センサの実现に向けての前进が期待されます。

【概要】

近年トポロジー（数学の分野である位相几何学）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质科学が注目を集めています。トポロジカルな物性の発现には、结晶中の周期的な原子の并びによる长距离の结晶秩序^（注３）と、それと表里一体の电子のバンド构造^（注４）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离にしか存在しないアモルファス状态は、トポロジカル物质の际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。

东北大学金属材料研究所の藤原宏平准教授と塚﨑敦教授、东京大学大学院工学系研究科の加藤康之讲师と求幸年教授、高エネルギー加速器研究机构物质构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计算で、主に结晶で议论されてきたバンドトポロジーの概念が、各种応用に适したアモルファス状态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离の原子の秩序が寄与することで、结晶と同等の巨大な异常ホール効果および异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。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。

【用语解説】

注1. バンドトポロジー　固体中での電子の運動を特徴づけるバンド構造の幾何学的性質の一種。トポロジカル物質と呼ばれる物質群は、従来の金属や半導体とは異なるバンドトポロジーをもつ。物性物理学と数理科学のアプローチにより、その理解が進められている。

注2. 異常ホール効果と異常ネルンスト効果　試料のx方向に通电した状态で锄方向に磁场を印加すると、ローレンツ力により电子の运动方向が捻じ曲げられ、y方向に电圧（ホール起电力）が生じる现象を（正常）ホール効果と呼ぶ（x, y, zは直交座标系とする）。磁性体では、これに磁化の寄与が加わり、异常ホール効果と呼ばれる。その热流版として、试料に温度勾配を印加したときに、温度勾配と试料の磁化の両方に直交する方向に电位勾配が生じる现象を异常ネルンスト効果と呼ぶ。これらの効果はそれぞれ、磁気センサや热流センサの原理として用いることができる。强磁性のトポロジカル半金属では、特殊な电子状态に起因して、巨大な异常ホール効果および异常ネルンスト効果が生じる。

注3. 長距離の結晶秩序　結晶を特徴づける原子やイオンの周期的な配列。長距離秩序の観測されない場合に一般にアモルファスと分類されるが、物質によっては最近接原子間距離程度の短距離秩序が生じる場合がある。

注4. バンド構造　周期的な原子?イオン配列が存在する場合、電子の運動を波数（波長の逆数）で記述することができる。無数の原子?イオンから成る固体では、電子の存在が許されるエネルギー状態が波数に依存して、バンド（帯）として出現し、その性質が諸物性を決定する。この基本的な考えはトポロジカル物質の物性理解にも適用されている。周期的な原子?イオン配列が存在しないアモルファスには、この概念を直接適用することができない。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学金属材料研究所　低温物理学研究部门
准教授　藤原　宏平
TEL: 022-215-2088
E-mail: kohei.fujiwara*tohoku.ac.jp （*を@に置き換えてください）
教授　塚﨑　敦
TEL: 022-215-2085
E-mail: tsukazaki*tohoku.ac.jp （*を@に置き換えてください）

（报道に関すること）
东北大学金属材料研究所　情报企画室広报班
TEL: 022-215-2144, FAX: 022-215-2482
E-mail: pro-adm*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）