理研ら,電子相関と高移動度を持つディラック半金属を発見

理化学研究所(理研)らは,電子間に働くクーロン相互作用(電子相関)が極めて強い場合でも,電子の移動度が極めて高い「ディラック半金属」を発見した(ニュースリリース)。

「ディラック半金属」では,「ディラック電子」と呼ばれる相対論的な運動をする電子が物性を担う性質があり,通常の物質と異なった電気伝導特性を示す。ディラック電子には,移動度が極めて高い,また電気抵抗の起源となる不純物による散乱を受けにくいといった性質があることから,電子デバイスの高速化や省電力化につながる可能性がある。

今回,研究グループは,強相関物質でディラック半金属状態を示す候補であるペロブスカイト型結晶構造を持つ「イリジウム酸カルシウムCaIrO3」に着目した。ペロブスカイト型酸化物は,コンデンサーなどの電子材料として工業的に普及している化合物群だが,これまでこの組成の単結晶の合成は報告がなかった。

研究グループは,超高圧合成法を駆使した作製法を開発し,精密物性測定を行なえるCaIrO3の単結晶の合成に成功した。そのCaIrO3単結晶の電気伝導度を測定したところ,極低温の0.12K(約-273℃)において,電子の移動度が60,000cm2/Vsを超える極めて高い値となっていることが分かった。この値は,既存の酸化物半導体ではほぼ最大値となる。

さらに,磁場中で電気伝導度を測定したところ,「シュブニコフ・ド・ハース振動」と呼ばれる高移動度電子に特徴的な電気伝導現象が見られた。

この振動を詳しく解析したところ,ディラック電子のバンド分散の特異点が,フェルミエネルギーのごく近傍に近接したディラック半金属状態が実現していることが分かった。このため,電子のキャリア密度と「見かけの重さ」である有効質量が極めて小さくなり,高い移動度の起源となっていると考えられるという。

次にこの起源を探るために,電子相関を取り込んだ精密な理論計算を行なった。その結果,「この電子状態は,電子相関によってディラック電子のエネルギーが変化する」という新しいメカニズムによって生じていることが分かった。また実験結果と比較することで,実際の物質では電子相関の強さが2eV程度の強い電子相関効果が働いていることが分かった。

研究グループは,今回の研究で,電子相関が強いディラック電子がペロブスカイト型酸化物というよく知られた化合物群で実現できたことから,基礎研究や高移動度電子材料の研究開発が一層進展するとしている。

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