基礎研究から新しいデバイス応用へ
2021-05-14 大阪大学,東北大学,科学技術振興機構
ポイント
- 構成元素の置き換えにより、スピンと運動量がロックした電子状態を制御できる金属を発見
- 通常の金属では、電子のスピンと運動量は無関係であるが、極性を持つ特殊な金属では、電子の運動方向に依存してスピンの向きが決まるロック状態が実現する
- 従来物質ではロック状態の制御は困難であったが、今回の物質では微小な結晶歪みを変化させることによりその制御が可能に
- 高速動作可能な相対論的電子でロック状態を実現できているため、革新的デバイス応用に期待
大阪大学 大学院理学研究科の酒井 英明 准教授（研究当時：ＪＳＴ さきがけ研究者 兼任）、同大学院生の近藤 雅起さん（博士課程後期）、黒木 和彦 教授、花咲 徳亮 教授らの研究グループは、東北大学 大学院理学研究科の松原 正和准 教授、東京大学 物性研究所の徳永 将史 准教授らの研究グループとの共同研究において、空間反転対称性の破れた結晶の中で実現する電子のスピンと運動量がロックした状態を、構成元素を変化させることで制御できる金属物質を発見しました。この物質は、ビスマスやアンチモンの二次元伝導層とマンガンなどからなる絶縁層が積層した物質で、二次元伝導層が正方形からジグザグ構造にわずかに歪むことで、空間反転対称性の破れた極性構造となることが実験的に明らかになりました。この歪みはわずか０．１〜１パーセント程度ですが、伝導を担う電子のスピンと運動量が完全にロックした状態を実現しています。
空間反転対称性の破れは、主に強誘電体や圧電体などの絶縁体の物性において、その重要性が知られてきました。一方、空間反転対称性が破れた金属も、電子のスピンと運動量のロックに起因する従来にない伝導現象や光学現象が見いだされ、近年注目を集めています。これまで、二硫化モリブデン単層薄膜などが典型物質として知られていましたが、ロックされるスピンと運動量の関係は、その特殊な結晶構造で決まっており、多彩なロック状態を実現することは不可能とされてきました。
今回、本研究グループが見いだした層状の金属物質では、スピンと運動量のロック状態が微小な結晶歪みにより実現されているため、人工的に制御することができます。実際、構成元素の１つであるアンチモンをビスマスで置き換えた結果、歪みが約１／１０に減少し、スピンと運動量のロック状態が大幅に変化することを理論と実験の両面から解明しました。この特性を生かすことで、スピンと運動量のロック状態の最適化が可能となるため、将来のデバイス応用に有用な物質として期待されます。
本研究成果は、英国科学誌「Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」に、２０２１年５月１４日（金）（日本時間）に公開されます。
本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業さきがけ（ＪＰＭＪＰＲ１６Ｒ２）の一環として行われ、日本学術振興会（ＪＳＰＳ）科学研究費補助金（１９Ｈ０１８５１，１９Ｋ２１８５１，１９Ｈ０５１７３，２１Ｈ００１４７，１７Ｈ０４８４４，２１Ｈ０４６４９ ａｎｄ １８Ｈ０４２２６）と岩谷直治記念財団の助成を受けて行われました。
＜論文タイトル＞
- “Tunable spin-valley coupling in layered polar Dirac metals”
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
酒井 英明（サカイ ヒデアキ）
大阪大学 大学院理学研究科 物理学専攻 准教授
＜ＪＳＴの事業に関すること＞
嶋林 ゆう子（シマバヤシ ユウコ）
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
＜報道担当＞
大阪大学 理学研究科 庶務係
東北大学 大学院理学研究科 広報・アウトリーチ支援室
科学技術振興機構 広報課
