高津浩 工学研究科特定講師、米澤進吾 理学研究科助教、前野悦輝 同教授および国立研究開発法人物質?材料研究機構（以下NIMS）の量子物性グループ、アメリカ強磁場研究所（フロリダ）、オランダ強磁場研究所、首都大学東京の研究グループは、非磁性で良導電性のパラジウム－コバルト酸化物において、導電性が磁場により変化する磁気抵抗効果を測定したところ、磁場とともに抵抗が減少し導電性が大きく増加する現象（負の磁気抵抗効果）を観測しました。非磁性で、かつ豊富な伝導電子により導電性が高い物質において、負の磁気抵抗効果が観測されるのは初めてです。
本研究成果に関する原著論文は、英国科学誌Nature Communicationsのオンライン版に3月29日（火曜日）19時（日本時間）に掲載されました。
研究者からのコメント
この研究成果は、非常に质の良い试料を使っての精密测定ができたことと、「トポロジー」という新しい视点によって従来から知られていた物理学の法则を见直したことから生まれました。金属に磁场をかけると通常は电気が流れにくくなります。例外として、磁石になりそうな金属では磁场中で磁性の揺らぎが抑えられる结果として电気が流れやすくなります。今回用いた酸化物では电子は极めて単纯な状态で磁性の働きも无く、なぜ电流と平行に磁场をかけたときに电気がさらに流れやすくなるのかは、际立った実験结果が得られた后でも全く谜でした。しばらくして米国の理论物理学者たちが?最近话题になっているトポロジカル半金属の负の磁気抵抗メカニズムとのアナロジーからこれが説明出来ることを明らかにしました。用いた物理法则は従来から知られたものでしたが、条件が揃うとトポロジカル物质と同じ式が导かれ、负の磁気抵抗が説明出来たのです。
新しい机构の负の磁気抵抗効果が理解できたことで、一つの物质のみで现れる特殊な现象ではなく、かなり普遍的な现象であることも実証できました。层状で导电性の良い非磁性物质のさらなる开発によって、より低い磁场でも大きな负の磁気抵抗が起こるデバイス?センサーの开発につながるため、物质开発の面でも新たな指针が生まれました。
概要
磁気抵抗効果は、磁性を利用したハードディスクなどさまざまな场面で応用されており、大きな磁気抵抗効果を示す新物质の探索を含めて精力的に研究が行われています。また、负の磁気抵抗効果は磁性材料や不纯物半导体などで観测されています。一方、非磁性で导电性が良い物质（伝导电子が豊富にある金属类）では、磁场をかけると物质内の伝导电子が衝突しあって抵抗が増加する「正の磁気抵抗効果」が见られますが、このような物质群で大きな负の磁気抵抗効果が観测されたことがありませんでした。
今回研究チームは、パラジウム－コバルト酸化物という非磁性の导电性物质で、负の磁気抵抗効果を観测しました。この物质は层状构造を有しており、パラジウムから构成される2次元平面が极めて良い金属的导电性を担います。また、この物质は磁気的な性质を持たないことから、负の磁気抵抗効果を示さないありふれた导电体の一つとしてこれまで认识されていました。ところが、パラジウム伝导面に垂直方向に磁场をかけると、磁场方向の导电性が着しく増加する（抵抗が减少する）负の磁気抵抗効果が観测されました。磁场中の电子状态の解析から、その発现メカニズムも明らかにしました。
さらにパラジウム－コバルト酸化物のみならず、姉妹物质である白金－コバルト酸化物や、他の层状导电性酸化物であるストロンチウム－ルテニウム酸化物においても同様に负の磁気抵抗効果が観测されました。今回の一连の実験结果は、非磁性で导电性が良い物质において、负の磁気抵抗効果が普遍的な现象であることを示しています。これらの结果は、基础学术研究の観点から非常に兴味深い现象であるだけでなく、今后同じ机构で発现する磁気抵抗効果を示す物质の探索や、デバイス?センサーの开発といった応用面にも新たな指针を与えるものと期待されます。
今回見出した負の磁気抵抗効果のモデル図。磁場の無い左図では、伝導電子は電場の逆方向以外にも動ける。ところが、磁場のかかった右図の状態になると電子の軌道が再編成され、電場方向に対しより動きやすくなる。このような状態は、物質の純度が極めて良い場合にのみ見られる。今回のパラジウム－コバルト酸化物では、 パラジウム伝導面に対し垂直方向に磁場をかけた。
详しい研究内容について
书誌情报
[DOI]
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N. Kikugawa, P. Goswami, A. Kiswandhi, E.S. Choi, D. Graf, R.E. Baumbach, J.S. Brooks, K. Sugii, Y. Iida, M. Nishio, S. Uji, T. Terashima, P.M.C. Rourke, N.E. Hussey, H. Takatsu, S. Yonezawa, Y. Maeno & L. Balicas
"Interplanar coupling-dependent magnetoresistivity in high-purity layered metals"
Nature Communications 7, Article number: 10903 Published 29 March 2016
