新しい磁性体「ワイル磁性体」を発見 磁気ワイル粒子で駆動する磁性デバイス実現へ道筋

2015 年、ワイル粒子は非磁性半金属ヒ素化タンタル（TaAs）の中で初めて発見されました。物質中のワイル粒子は、量子力学に基づく波動関数のトポロジーを起源として、N 極とS 極に相当する磁気モノポールを形成します。ここから発生する仮想的な磁場により巨大な電子輸送現象が発現し、この量子力学的性質をデバイス開発に利用できることから、ワイル半金属の発見以降、ワイル粒子の研究が爆発的に世界中で行われています。一方、磁気ワイル粒子はこのTaAs 中のワイル粒子と異なり、物質の磁性によって創出されるため、外部磁場による制御が可能となります。この性能はデバイス応用で必要不可欠となるため、磁気ワイル粒子を有した物質開発は熾烈な競争が行われています。しかし、その発見に成功した例はありませんでした。

最近、Mn₃Snにおいて異常ホール効果と異常ネルンスト効果が室温で発見されています。一般にこれらの効果は磁化に比例するため強磁性体でしか発見されたことはありません。磁化が小さい反強磁性体の巨大異常ホール効果は、数100 Tに相等する運動量空間での仮想磁場に相等します。実際、第一原理計算からフェルミ面近傍に仮想磁場（ベリー曲率）の起源であるワイル点の存在が示唆されています。

東京大学物性研究所の中辻知教授率いる研究グループは、同研究所の近藤猛准教授、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有田亮太郎チームリーダーらと共同で、世界で初めて質量ゼロの磁気ワイル粒子が反強磁性体マンガン三スズ Mn₃Snの内部に存在することを実験的に証明しました。これにより、外部磁場による制御で、室温でも磁気ワイル粒子を自在に操作できる新しい磁性体「ワイル磁性体」を発見しました。

「これまでに我々の研究グループは同物質が示す巨大な磁気輸送現象や熱電効果を報告してきました。今回の発見により、その発現機構に磁気ワイル粒子が本質的に重要な役割を担っていることがわかりました」中辻教授は説明します。「今回発見したワイル磁性体を舞台として、これまでになかった電子相関とトポロジーが融合した輸送現象に基づく新機能を提案していきます」と続けます。