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» 2017年02月14日 15時30分 UPDATE

電気磁気効果の観測に期待:トポロジカル絶縁体の表面金属状態絶縁化に成功 (1/2)

理化学研究所などの共同研究グループは2017年2月、トポロジカル絶縁体として、表面の金属的な状態を消し絶縁化できる積層薄膜物質を作製したと発表した。

[竹本達哉,EE Times Japan]

メモリ素子への応用が期待される「電気磁気効果」の観測に道

 理化学研究所、東京大学、東北大学金属材料研究所、産業技術総合研究所の共同研究グループ*1)は2017年2月13日、省電力メモリ素子への応用が期待される「電気磁気効果」の発現条件を満たすとみられるトポロジカル絶縁体を作製することに成功したと発表した。磁性層と非磁性層を交互に重ねたトポロジカル絶縁体積層薄膜で、特殊な電気磁気効果の発現が期待される新しい量子状態を実現したという。

*1)理化学研究所創発物性科学研究センター強相関物性研究グループ研修生 茂木将孝氏(東京大学大学院工学系研究科大学院生)、グループディレクター 十倉好紀氏(同教授)、強相関界面研究グループグループディレクター 川崎雅司氏(同教授)、強相関量子伝導研究チーム専任研究員 川村稔氏、東北大学金属材料研究所教授 塚崎敦氏、産業技術総合研究所研究チーム長 白川直樹氏らで構成。

 トポロジカル絶縁体は、物質内は電気を通さないが、表面は電気を通す物質であり、電場印加によって磁化が発生したり、逆に磁場印加によって電気分極が起きたりする現象である電気磁気効果が発現すると予測されている。

 ただ、通常のトポロジカル絶縁体では、金属的な表面状態を持つため、電気磁気効果は生じない。電気磁気効果を観測するには、トポロジカル絶縁体の表面を絶縁化し、表面の金属的な状態を消す必要があるとされる。

 トポロジカル絶縁体表面の絶縁化は、磁化を表面に対して反平行(図1(b))に向かせると表面の金属的な状態が全て消え完全な絶縁体になると予測されている。

図1:トポロジカル絶縁体積層薄膜における量子異常ホール効果と電気磁気効果の概念図 (クリックで拡大) 出典:理化学研究所など
(a)トポロジカル絶縁体の表面に対して磁化が一方向にそろっているときには、試料の端にだけ電流が流れる(緑の大きな矢印)量子異常ホール効果が現れる。
(b)トポロジカル絶縁体の表面に対して磁化が反平行になっているときには、試料の端にも電流が流れなくなり、完全な絶縁体が実現する。この完全な絶縁体では、特殊な電気磁気効果の観測が期待されており、例えば外部磁場を印加すると同じ向きに電気分極が生じる(ピンクの大きな矢印)。

磁化を反平行な方向に制御

 これまではトポロジカル絶縁体で磁化の方向を制御することは技術的に難しく実現できていなかったが、理化学研究所などの共同研究グループは今回、磁化を反平行な方向に制御可能なトポロジカル絶縁体の作製に成功したとする。

 共同研究グループでは、高品質な薄膜を成長させる方法の一種である分子線エピタキシー装置を用い、独自に開発した「磁気変調ドーピング」という手法で、トポロジカル絶縁体「(Bi1-ySby)2Te3」と磁性元素Crを添加した磁性トポロジカル絶縁体「Crx(Bi1-ySby)2-xTe3」の薄膜の積層構造をインジウムリン(InP)基板上に作製した*2)

*2)Bi:ビスマス、Sb:アンチモン、Te:テルル、Cr:クロム

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