2025年 | プレスリリース・研究成果

【本学研究者情報】

〇【研究当時】金属材料研究所　准教授　木俣基

【発表のポイント】

• カゴメ（籠目）格子をもつ金属物質CsV₃Sb₅で観測される非単調なホール効果について、従来有力視されてきた異常ホール効果ではなく、極めて高い移動度（電子が速く動ける性質）をもつ少数のキャリア（電気を運ぶ粒子）からの寄与で説明できることを明らかにしました。
• 本成果は、キャリアの数や種類を仮定せずに実験データを扱える「移動度スペクトル解析」を大規模フィッティング計算と組み合わせることで得られました。
• 本研究で確立された解析手法は、複雑な電子構造をもつ物質にも広く応用できるため、今後の物性物理学や材料科学の研究において、非常に強力なツールとなることが期待されます。

【概要】

東京大学大学院新領域創成科学研究科の劉蘇鵬大学院生、六本木雅生大学院生（研究当時／現在：理化学研究所研究員）、石原滉大助教、橋本顕一郎准教授、芝内孝禎教授らの研究グループは、同大学物性研究所、東北大学金属材料研究所、日本原子力研究開発機構、カリフォルニア大学サンタバーバラ校、仏エコール・ポリテクニークとの共同研究により、カゴメ格子(注1)と呼ばれる構造をもつ金属物質「CsV₃Sb₅」で観測される非単調なホール効果（注2）の起源を明らかにしました。従来この現象は、ループ状の渦電流による「異常ホール効果」と呼ばれる特殊な電子の振る舞いによるものと考えられてきました。しかし本研究により、非常に高い移動度をもつ少数キャリアが特異なホール効果に大きく関与していることが明らかになりました。この成果は、「移動度スペクトル解析（μスペクトル解析法、注3）」と大規模フィッティング計算を組み合わせることで、これまで解析が困難であった多バンド系物質(金属内に複数のキャリアが存在する物質)におけるキャリアの定量的評価が可能になったことで達成されました。この解析手法は、電子構造が複雑な物質にも広く応用できるため、今後の物性物理学や材料科学の研究において、非常に有用なツールとなることが期待されます。

本研究成果は2025年7月30日付け（現地時間）で、米国科学誌『Physical Review Letters』にオンライン掲載され、Editors' Suggestionに選出されました。

【用語解説】

（注1）カゴメ格子
日本の伝統的な竹細工である「籠目模様」にちなんで名付けられた、三角形と六角形が組み合わさった幾何学的な格子構造。カゴメ格子をもつ物質では、通常の金属とは異なる電気的・磁気的性質が現れる可能性があり、新しい機能性材料として期待されている。

（注2）ホール効果
電流に垂直な磁場をかけると、電流と磁場の両方に垂直な方向に電圧が生じる現象。通常は磁場に比例して変化する。一方、強磁性体のように自発磁化をもつ物質では、外部磁場がなくてもホール効果が現れ、これを異常ホール効果と呼び、磁場に対して非単調に変化する。異常ホール効果の起源には、物質固有の電子構造に由来して生じるベリー曲率（仮想磁場）による「内因性」機構と、不純物やスピン散乱に起因する「外因性」機構がある。

（注3）移動度スペクトル解析（μスペクトル解析法）
異なる移動度をもつ複数のキャリアが存在する物質において、それぞれのキャリアを分離して解析できる手法。横軸にキャリアの移動度、縦軸に移動度に対する部分伝導率をとったスペクトルを作成することで、キャリアの数や種類を仮定せずに解析できる。

【論文情報】

雑誌名：Physical Review Letters
題　名：Impact of Tiny Fermi Pockets with Extremely High Mobility on the Hall Anomaly in the Kagome Metal CsV₃Sb₅
著者名：S. Liu*, M. Roppongi, M. Kimata, K. Ishihara, R. Grasset, M. Konczykowski, B. R. Ortiz, S. D. Wilson, K. Yoshimi, T. Shibauchi*, K. Hashimoto*
DOI: 10.1103/d4dw-2v6k

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学金属材料研究所（現：日本原子力研究開発機構）
研究副主幹　木俣 基
E-mail: motoi.kimata.b4*alumni.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学金属材料研究所
情報企画室広報班
TEL: 022-215-2144
E-mail: press.imr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）