磁壁におけるトポロジカル電流を観測

理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター 強相関物性研究グループの安田 憲司　研修生（東京大学 大学院工学系研究科　博士課程２年）、十倉 好紀　グループディレクター（同　教授）、強相関界面研究グループの川﨑 雅司　グループディレクター（同　教授）、動的創発物性研究ユニットの賀川 史敬　ユニットリーダー（同　准教授）、東北大学 金属材料研究所の塚﨑 敦　教授らの共同研究グループは、「磁性トポロジカル絶縁体^注１）」の磁壁^注２）におけるトポロジカル電流の観測とスピントロニクス^注３）デバイスの基礎原理の実証に成功しました。

近年、磁性トポロジカル絶縁体と呼ばれる特殊な磁石^注２）で「量子異常ホール効果^注４）」という現象が観測されました。これは、磁石中に磁化^注２）があることで生じる外部磁場が不要な量子ホール効果^注４）であり、試料端において、エネルギー散逸の少ないトポロジカル電流が一方向に流れます。このとき、磁区^注２）の境界である磁壁においてもトポロジカル電流が生じることが理論的に提唱されていました。磁壁でのトポロジカル電流は、その向きおよび位置を制御することができるため、これを用いた再構成可能な回路の設計が可能であり、低消費電力素子への展開を飛躍的に進めると期待されます。しかし、磁区を任意に作ることが困難であり、磁壁でのトポロジカル電流はこれまで観測されていませんでした。

今回、共同研究グループは磁気力顕微鏡^注５）を用いることで、磁性トポロジカル絶縁体上に任意の磁区を書き込む手法を新たに確立しました。磁区形成後の素子に対して、０．５Ｋ（－２７２．６５℃）の極低温で電気伝導測定を行ったところ、磁区構造に応じた量子化抵抗が観測され、磁壁におけるトポロジカル電流の存在が確認されました。さらに、単一素子内でのさまざまな磁区構造の形成により、トポロジカル電流の流れおよび量子化抵抗を自在に制御できることを明らかにしました。

本研究により、トポロジカル電流を用いた新しいスピントロニクスデバイスの基礎原理が実証されました。今後、電流での磁壁駆動による次世代磁気メモリ^注６）の構築や動作温度の高温化によるデバイスのさらなる発展が期待できます。

本成果は、米国の科学雑誌『Ｓｃｉｅｎｃｅ』に掲載されるのに先立ち、オンライン版（１２月７日付け：日本時間１２月８日）に掲載されます。

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