【発表のポイント】
・新しい磁性物質「ワイル磁性体」を世界で初めて発見しました。
・室温で１０ミリテスラの小さな外部磁場により、本物質中で発現するワイル粒子を制御することが可能です。
・ワイル粒子の量子力学的な特性を利用することで新しい機能を持った革新的な次世代デバイスの開発の進展が期待されます。

【概要】
質量ゼロのワイル粒子は、１９２９年に理論的に提案されて以降、高エネルギー物理の領域で研究されてきました。長い間ニュートリノがワイル粒子だと考えられていましたが、１９９８年にスーパーカミオカンデの実験で質量を持つことが実証（２０１５年ノーベル賞）されて以降、ワイル粒子の再探索が行われていました。２０１５年、意外なことに、ヒ素化タンタル（TaAs）という半金属物質中で低エネルギーの伝導電子が「ワイル粒子」として振る舞うことが発見されました。ワイル粒子は、素粒子物理などの基礎科学に関する研究分野だけでなく、物質にも存在し、その特殊な量子力学的性質をデバイス開発に利用することができることから、現在ワイル粒子に関する研究が世界中に広がっています。そもそも、物質中のワイル粒子には２つの種類があることが知られています。最初に予言された磁気ワイル粒子と、その後、存在が予想された非磁性ワイル粒子です。非磁性ワイル粒子はTaAs中でその存在が実証されました。一方、外部磁場で制御が可能となる磁気ワイル粒子はデバイス応用で必要不可欠となるため、その物質開発では熾烈な競争が行われています。しかしながら、これまで磁気ワイル粒子の発見に成功した例はありませんでした。もし、このような物質が実現すれば、既存のエレクトロニクスの枠組みを超えた新しいパラダイムを与えると期待されています。
【発表内容】
今回、東京大学物性研究所の中辻知教授らの研究グループは、反強磁性体であるマンガン（Mn）とスズ（Sn）の合金、マンガン三スズMn3Sn（図１、注2）中で、「ワイル粒子」となる伝導電子の振る舞いを発見しました。本ワイル粒子は、反強磁性体内で自発的に発生した磁場により創出された磁気ワイル粒子であり、今回、世界で初めてその存在を実証しました。物質中のワイル粒子は、異なるカイラリティ（右巻き、左巻き）が対となって発生し、量子力学に基づく波動関数のトポロジーを起源として、それぞれ「N極」と「S極」に相当する磁気モノポール（ワイル点) を形成します（図4.2）。このようなワイル粒子が創り出す量子力学的効果により、物質中の伝導電子が仮想的な磁場（注4）を感じて巨大な電子輸送現象が発生します。これまで、Mn3Snで巨大な磁気輸送現象や熱電効果が観測されてきましたが、その起源はわかっていませんでした。今回の磁気ワイル粒子の発見により、ワイル粒子の創る巨大な仮想磁場がその発現機構に重要な役割を担っていることがわかりました。また、今回の発見はMn3Snが外部磁場による制御で質量ゼロの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」であることを意味します。これは、ワイル磁性体に地磁気の20倍程度（10ミリテスラ）の磁場を与えるだけで、磁気ワイル粒子が作り出す1000 テスラに匹敵する巨大な磁場（仮想磁場を実空間の磁場に換算した場合）を制御可能である事を示しています。今回、本物質の電子構造を光電子分光 (注5) と理論計算を組み合わせて詳細に調べた結果、巨大な仮想磁場の源であり、磁気モノポールになるワイル点がフェルミレベルのごく近傍に形成されることを明らかにしました (図4.3) 。磁気ワイル粒子が物質内に存在していれば、磁場と同じ方向に電流が流れるという特異な現象を利用し、磁場の角度と電流方向の実験で示すことに室温で成功しました。(図4.4)　今回発見されたMn3Snはカゴメ格子と呼ばれる結晶構造 (図1a) をとり、マンガン原子とそのスピンが正三角形の頂点を占める位置に配置されています。このとき、隣り合うスピンが互いに反対方向に向こうとする力が働き、互いに120 度傾いた状態で安定になります（図4.1b, 4.1c）。これに外から数10 ミリテスラ程度の非常に小さい磁場をかけるとわずかに磁化が観測されます。この磁化は外からの磁場を取り去っても残ります。この様に小さい磁場でワイル粒子を操作することで、巨大な仮想磁場が発現させる量子輸送現象を制御できることを示しました。

4. 「ワイル磁性体」を世界で初めて発見 ～ワイル粒子で駆動する次世代量子デバイス実現へ道筋 ～

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