磁性半導体の磁気単極子による電子の伝導制御

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2018/07/21 理化学研究所,東京大学,科学技術振興機構

磁性半導体の磁気単極子による電子の伝導制御 -新たなスピントロニクス機能に道筋-

理化学研究所(理研)創発物性科学研究センター強相関界面研究グループの高橋圭上級研究員(科学技術振興機構(JST)さきがけ研究者)、川﨑雅司グループディレクター(東京大学大学院工学系研究科教授)、強相関理論研究グループの永長直人グループディレクター(東京大学大学院工学系研究科教授)、強相関物性研究グループの十倉好紀グループディレクター(東京大学大学院工学系研究科教授)、東京大学大学院工学系研究科の石塚大晃助教らの共同研究グループは、「磁性半導体」チタン酸ユーロピウム(EuTiO3)[1]の高品質単結晶薄膜を作製し、通常は磁化に比例する異常ホール効果[2]の値が、磁化に伴ってさまざまな値をとることを見いだしました。

本研究成果は、スピンの向きのそろった電子の運動を左右に振り分ける新たなスピントロニクス[3]機能に結びつくと期待できます。

運動量空間において「磁気単極子[4]」を創発する「ワイル・ノード[5]」と呼ばれるバンド[6]交差により、「内因性異常ホール効果」を定量的に説明できることが知られています。今回、共同研究グループは、反強磁性[7]から外部磁場により強磁性[7]にユーロピウム(Eu)の磁気モーメントがそろう過程で、異常ホール効果が磁化に比例した通常の値には縛られない振る舞いをすることを発見しました。そしてこの現象は、ゼーマン分裂[8]がわずかに変化しただけで、ワイル・ノードが創発する磁気単極子のエネルギー位置が変化して、電子の軌道を変調するためであることを解明しました。EuTiO3薄膜の高品質化により、これまでは観測できなかった新しい異常ホール効果を発見するとともに、その起源がバンド交差点のワイル・ノードであることを定量的に明らかにしました。

本研究成果は、米国のオンライン科学雑誌『Science Advances』(7月20日付:日本時間7月21日)に掲載されます。

運動量空間の磁気単極子(朱色の球)によって変調を受ける電子の運動の概念図の画像

図 運動量空間の磁気単極子(朱色の球)によって変調を受ける電子の運動の概念図

※研究支援

本研究は、JST戦略的創造研究推進事業個人型研究(さきがけ)「素材・デバイス・システム融合による革新的ナノエレクトロニクスの創成(領域総括:桜井貴康)」の研究課題「高移動度二次元酸化物構造による非散逸電流デバイスの創成(研究代表者:高橋圭)」の支援を受けて行われました。

背景

磁性と伝導の電気的制御が同時に可能になる「磁性半導体」は、新たな低消費電力のスピントロニクス素子候補材料として期待されています。また、磁性体中を流れる電子のホール効果は、磁場のローレンツ力による正常ホール効果[2]と磁化による異常ホール効果の和となります。電子濃度を容易に制御できる磁性半導体は、異常ホール効果を電気的に制御できるため、例えば、異常ホール効果をホール素子として磁気センサーに利用する場合、感度を電気的に変化させられるなど応用の観点から注目されています。

異常ホール効果の起源の一つに、「内因性異常ホール効果」があり、これはブロッホ関数[9]の曲率(ベリー曲率[10])が作るゲージ場(電子が感じる磁場)の積分で表されます。電子のエネルギーと運動量の関係(バンド分散)において、二つの分散が交差する「ワイル・ノード」では、ベリー曲率の湧き出しや吸い込みが生じるため、ワイル・ノードは運動量空間における「磁気単極子(モノポール)」に相当します。異常ホール効果は、そのワイル・ノードの位置や分布によって定量的に説明できることが知られています。

2008年、高橋上級研究員、川﨑グループディレクターらは、磁性半導体チタン酸ユーロピウム(EuTiO3)の内因性異常ホール効果を詳しく調べ、薄膜の歪みによってチタンの3d電子バンドが結晶場分裂[11]してできるワイル・ノードに注目しました。そして、電子濃度を変化させてワイル・ノードとフェルミエネルギー[12]の大小関係を逆転させると、異常ホール効果の符号が反転することを明らかにしました注1)。

ただし、これまでの結果は、反強磁性のユーロピウム(Eu)の磁気モーメントを磁場で強磁性にそろえた高磁場での振る舞いに限られていました。そこで、共同研究グループは、高品質で外因的な散乱の少ない磁性半導体薄膜を作製すれば、磁化過程でゼーマン分裂が変化して生じるワイル・ノードの効果を、より敏感に異常ホール効果の大きな変調として検出できると考え、研究を進めました。

注1) K. S. Takahashi, M. Onoda, M. Kawasaki, N. Nagaosa, and Y. Tokura, Control of the anomalous Hall effect by doping in Eu1-xLaxTiO3 thin films. Phys. Rev. Lett. 103, 057204 (2009)

研究手法と成果

共同研究グループは、これまでに「ガスソース分子線エピタキシー(MBE)[13]」を開発して酸化物薄膜の高品質化に成功し、電子の動きやすさを示す移動度[14]が極めて大きなチタン系酸化物薄膜を作製してきました。チタン金属を加熱蒸発させるのではなく、蒸気圧の高い揮発性の有機金属ガスソース(チタンイソプロポキシド[15])を用いることで、他の金属元素との組成比を自己制御的に定比にできるため、薄膜の結晶性が格段に向上し、移動度が大きくなります。

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