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Large longitudinal and anomalous transverse Magneto-thermoelectric effect in kagome antiferromagnet FeGe

本研究は、カゴメ反強磁性体FeGeにおける記録的な横方向熱電導率と顕著な異常ネルンスト効果を報告し、これらの巨大な効果を非共線的なスピンテクスチャによって生成される大きなベリー曲率に帰属させ、高度な磁気熱電応用へのその潜在的可能性を強調している。

原著者： Jiajun Ma, Rong Chen, Yazhou Li, Chenfei Shi, Yantao Cao, YuWei Zhang, Jiaxing Liao, Yunfei Han, Guangxi Wen, Jialu Wang, Hanjie Guo, Jianhui Dai, Chenguang Fu, Jin-Ke Bao, Yan Sun, Zhu-An Xu, Yuke Li

公開日 2026-08-28

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CC BY 4.0

原著者： Jiajun Ma, Rong Chen, Yazhou Li, Chenfei Shi, Yantao Cao, YuWei Zhang, Jiaxing Liao, Yunfei Han, Guangxi Wen, Jialu Wang, Hanjie Guo, Jianhui Dai, Chenguang Fu, Jin-Ke Bao, Yan Sun, Zhu-An Xu, Yuke Li

原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 ✨ これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。免責事項の全文を読む

数十年にわたり、エンジニアたちは廃熱を電気に変換するためのより優れた方法を模索してきました。このプロセスは、一方の側が熱く、もう一方が冷たいときに電圧を発生させることができる材料に依存しています。熱電効果として知られるこの現象は、伝統的に、熱の流れる方向に対して材料内を直線的に電気が流れる様子を観察することで研究されてきました。しかし、より新しく有望なアプローチは、特に磁場が印加された際に、熱と電気が熱の流れに対して垂直方向、つまり横方向にどのように移動するかを観察することに関係しています。この横方向の移動は横方向熱電効果と呼ばれ、複雑な配線や複数の材料を必要とせずに機能するため、デバイスの構築をより単純なものにします。近年、科学者たちはトポロジカル磁性体と呼ばれる特殊なクラスの材料に注目しています。これらは、電子の配置が独特で保護された経路を作り出し、これらの効果を増幅させることができる物質であり、その中でも、カゴメ格子として知られる特定の幾何学的な原子配列が、大きな電気的応答を生み出す上で特に有望であることを示しています。

最近の研究において、研究者たちはFeGeと呼ばれる特定の材料を調査しました。これは反強磁性体であり、つまり内部の磁気スピンが反対方向を向き、互いに打ち消し合うことで、材料全体としての磁気的な引き合いを持たないことを意味します。FeGeをユニークにしているのは、その原子が編まれた籠のようなカゴメパターンを形成しており、磁気秩序と電子密度の波動的な歪みとの間の複雑な相互作用を宿している点です。研究チームは、材料の磁気スピンがわずかに傾き、キャンテッド（傾斜した）構造を作る特定の温度範囲に焦点を当てました。材料を冷却し、強い磁場を印加しながら、熱と電気がどのように移動するかを測定しました。その結果、材料がこの傾いた磁気状態に入ったとき、温度差から電圧を生成する能力が劇的に変化することがわかりました。実際、磁場によって電圧の方向が反転し、ゼロ磁場状態と比較して100倍以上の係数で増加しました。これは、この種の材料としては極めて大きな変化です。

研究者たちはまた、温度差によって生成される横方向の電圧であるネルンスト効果を測定し、それが驚くほど強力であることを発見しました。この効果は、運動量空間における電子の経路のねじれ、すなわちベリー曲率と呼ばれる性質によって駆動されており、これが電子を横方向に押し出す隠れた力のように作用します。FeGeにおいて、この効果は非常に顕著であり、この材料は反強磁性体として記録的なレベルの横方向熱電伝導度を達成し、低温下で1メートルあたり毎ケルビン15アンペアという値に達しました。この性能は、通常は正味の磁場を持つ、最もよく知られた強磁性体の性能にも匹敵しますが、FeGeは外部への磁場を伴うことなくこれを達成しています。研究では、磁気波による電子の引きずりや、単なる電荷キャリア数の変化といった他の一般的な説明を明確に排除しており、代わりに、材料内の非共線的なスピンの配置が主要な原因であることを指摘しています。

なぜこのようなことが起こるのかを理解するために、チームはコンピュータシミュレーションを用いて、材料の傾いた磁気状態における電子構造のモデリングを行いました。これらの計算により、スピンの特定の配置が、強力な横方向の電流を駆動するために必要な大量の「隠れた曲率」を生み出していることが確認されました。この結果は、このような材料の磁気構造を調整することで、熱からのエネルギー回収能力を大幅に高められることを示唆しています。本研究はまだ完成したデバイスについて述べているわけではありませんが、複雑なスピンテクスチャを持つ反強磁性体が、将来の熱電応用における強力な候補であり、現在熱として失われているエネルギーを捕獲するための新しい道を提供することを実証しています。この研究は、結晶格子内における電子とスピンの複雑なダンスがいかにして、効率的な固体状態エネルギーコンバーターを作り出すために活用され得るかを浮き彫りにしています。

技術要約：カゴメ反強磁性体FeGeにおける巨大な長手方向および異常横方向磁気熱電効果

問題と背景
従来の熱電（TE）研究は、主にバンドチューニングやフォノンエンジニアリングによる縦方向ゼーベック効果の最適化に焦点を当ててきた。しかし、ディラックコーン、フラットバンド、ファン・ホーブ特異点を持つトポロジカル材料などの新規な電子構造の調査は、熱電性能を向上させるための新たな道を提示している。異常ネルト効果（ANE）のような横方向の磁気熱電効果は、接合設計の簡素化やスケーラビリティといった利点があるものの、高性能な磁気熱電材料は依然として希少である。特に、強相関電子系における空間的に変化するスピンテクスチャ、電荷秩序、およびトポロジーの相互作用については、まだ十分に理解されていない。電荷密度波（CDW）と傾斜反強磁性（CAFM）秩序を含む複雑な相図を示すカゴメ反強磁性体FeGeは、これらの相互作用を探索するための候補プラットフォームとなる。

手法
本研究では、化学気相輸送（CVT）法によって成長させ、長距離CDW秩序を確保するためにアニール処理を施した高品質なFeGe単結晶を用いた。抵抗率およびホール効果については6端子法を用い、熱起電力、熱伝導率、およびネルト効果については1台のヒーターと2台の温度計を用いる手法を用いて、包括的な輸送特性測定を行った。測定は、電流および熱流が $c$ 軸方向（ $I, Q \parallel c$ ）にあり、磁場が$ab $面内に平行（$ H \parallel ab$）に印加された14 Tの極低温希釈冷凍機中で行われた。縦方向および横方向の信号は、接触の不整合による誤差を除去するために、それぞれ対称化および反対称化された。

実験を補完するため、Vienna ab initio simulation package (VASP) を用いた第一原理計算が行われた。これらの計算では、スピン軌道相互作用（SOC）を組み込み、A型反強磁性および傾斜スピン構造を含む様々な磁気構成下での電子バンド構造をモデル化した。異常ネルト導電率（ANC）は、ブロッホ波動関数から投影されたワニエ関数に基づく線形応答クボ公式を用いて導出された。

主な結果

相転移と輸送特性のアノマリー： FeGe試料は、2つの明確な相転移を示した。すなわち、 $T_{CDW} \approx 108$ KでのCDW転移と、 $T_{cant} \approx 56$ Kでの傾斜反強磁性（CAFM）転移である。 $T_{cant}$ において、縦方向熱起電力（ $S_{zz}$ ）とネルト信号（ $S_{zx}$ ）は正から負へと符号が変化した。これは、多数キャリアが正孔から電子へと変化したこと、および化学ポテンシャルの変調を示唆している。
巨大磁気熱起電力： 14 Tの磁場は、熱起電力に劇的な変化をもたらした。 $T_{cant}$ 付近において、熱起電力の変化率（ $\Delta S_{zz}/S_{zz}$ ）は $10^2$ – $10^4\%$ に達した。この大きさは、従来の熱電材料（例：Ag $_{2-\delta}$ Te）や他のトポロジカル半金属と比較して著しく大きい。
異常ネルト効果（ANE）： $T_{cant}$ 以下で、顕著なANEが観察された。異常ネルト信号（ $S^A_{zx}$ ）は20 Kで約1.2 $\mu$ V/Kのピークに達し、Mn $_3$ Sn/Geのような他のカゴメ傾斜反強磁性体で見られる値を超えた。
記録的な横方向導電率： 関係式 $\alpha_{zx} = \sigma_{zz}S_{zx} + \sigma_{zx}S_{zz}$ を用いて、異常横方向熱電導率（ $\alpha^A_{zx}$ ）を算出した。抽出された $\alpha^A_{zx}$ は20 Kで最大 15 A K $^{-1}$ m $^{-1}$ に達した。この値は既知の反強磁性体の中で最高記録であり、強磁性金属UCo $_{0.8}$ Ru $_{0.2}$ Alに匹敵する。
メカニズム： 大きな $\alpha^A_{zx}$ は主に $\sigma_{zz}S^A_{zx}$ の項によって駆動されており、高い電気伝導率と顕著な異常ネルト信号の組み合わせが支配的な要因であることを示唆している。著者らは、これらの効果の根源である大きなベリー曲率は、温度および磁場依存性の解析によって除外されたマグノン・ドラッグやフォノン・ドラッグではなく、CAFM状態における非共線的なスピンテクスチャとカゴメ格子のトポロジカルな性質に起因すると考えている。

意義と主張
本論文は、FeGeが、非自明なスピン構造が電荷秩序およびトポロジカルバンドと結合することで、熱電輸送に対して極めて大きなベリー曲率の寄与を生み出し得ることを示している。反強磁性体における記録的な横方向熱電導率の観測は、カゴメ反強磁性体が磁気熱電応用へ向けた潜在能力を持つことを強調している。ANEが磁化に対して線形にスケールする従来の強磁性体とは異なり、FeGeにおける大きなANEはトポロジカルなスピンテクスチャから生じており、漏れ磁場（stray magnetic fields）の問題を伴わずに熱電性能を高める経路を提供している。本研究は、このようなトポロジカル反強磁性体においてフェルミ準位を調整することが、熱電効率をさらに最適化できる可能性を示唆している。

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