鉄シリコン化合物における新しいトポロジカル表面状態

2021-11-182022-01-21

ありふれた元素を用いたスピントロニクス機能の実現

ありふれた元素を用いたスピントロニクス機能の実現

2021-11-18 東京大学,理化学研究所,総合科学研究機構中性子科学センター,高エネルギー加速器研究機構,Ｊ－ＰＡＲＣセンター,東北大学金属材料研究所,科学技術振興機構

ポイント

地球上に豊富に存在する鉄（Ｆｅ）とシリコン（Ｓｉ）から成る化合物ＦｅＳｉにおいて強いスピン軌道相互作用を示す表面状態が現れることを発見し、その表面状態を用いてスピントロニクス機能を実現しました。
ＦｅＳｉの表面状態の特徴が結晶内部の電子状態のトポロジーに由来していて、現代の電気分極理論で用いられる幾何学的位相の概念に関連していることを解明しました。
従来あまり注目されてこなかったありふれた元素の化合物に潜むトポロジカル物性・スピントロニクス機能の開拓指針となり、情報化社会の持続的発展を支える物質基盤の確立につながる可能性があります。

電子の持つ電気的な性質（電荷）と磁気的な性質（スピン）を同時に利用することによって磁石の状態を電気的に操作する技術は、現代のエレクトロニクスを大きく発展させる要素として注目されています。特に近年発見されたトポロジカル絶縁体は、その表面状態における高効率・省電力なスピン操作が可能であるため、有望な物質基盤になると期待されています。一方で、トポロジカル絶縁体を始めとした既存の候補物質は重元素の含有を必要とし、材料の観点からは希少性や毒性といった点で課題がありました。

東京大学大学院工学系研究科の大塚悠介大学院生（当時）、金澤直也講師、平山元昭特任准教授、理化学研究所創発物性科学研究センターの十倉好紀センター長らを中心とする研究グループは、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授、藤原宏平准教授らの研究グループと共同で、地球上に豊富に存在する鉄（Ｆｅ）とシリコン（Ｓｉ）から成る化合物ＦｅＳｉにおける新しいトポロジカル表面状態を発見し、強いスピン軌道相互作用に由来したスピントロニクス機能を実現しました。また東京大学物性研究所の中島多朗准教授、総合科学研究機構中性子科学センターの花島隆泰研究員、日本原子力研究開発機構Ｊ－ＰＡＲＣセンター／高エネルギー加速器研究機構の青木裕之特別教授と共同で、ＦｅＳｉ表面における強磁性スピン状態を直接観測しました。

今回の発見によって、希少元素化合物において開拓されてきたトポロジカル物性やスピン操作機能を、ありふれた元素の化合物でも実現可能であることが明らかにされました。つまり、資源の制約や環境負荷を抑えつつ、電子デバイスの省電力化や高機能化を大きく進展させる可能性があり、情報化社会の持続的発展を支える物質基盤の確立に貢献することが期待されます。

本研究は、日本学術振興会（ＪＳＰＳ）科学研究費補助金基盤研究Ｂ「Ｚａｋ位相制御による表面状態設計とスピントロニクス機能実現（研究代表者：金澤直也）」（ＧｒａｎｔＮｏ．ＪＰ２０Ｈ０１８５９）、同基盤研究Ｂ「トポロジカル熱輸送の低温イメージング分光（研究代表者：豊田新悟）」（Ｎｏ．ＪＰ２０Ｈ０１８６７）、同新学術領域研究（量子液晶の物性科学）「トポロジカルスピン液晶制御と巨大電子散乱現象（研究代表者：金澤直也）」（ＧｒａｎｔＮｏ．ＪＰ２０Ｈ０５１５５）、科学技術振興機構（ＪＳＴ）創発的研究支援事業ＦＯＲＥＳＴ「新世代コンピューティング素子のためのスキルミオン物質基盤創成（研究代表者：金澤直也）」（ＧｒａｎｔＮｏ．ＪＰＭＪＦＲ２０３８）、戦略的創造研究推進事業ＣＲＥＳＴ「ナノスピン構造を用いた電子量子位相制御（研究代表者：永長直人）」（ＧｒａｎｔＮｏ．ＪＰＭＪＣＲ１８７４）、同ＣＲＥＳＴ「トポロジカル絶縁体ヘテロ接合による量子技術の基盤創成（研究代表者：川﨑雅司）」（ＧｒａｎｔＮｏ．ＪＰＭＪＣＲ１６Ｆ１）による支援を受けて行われました。

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