バルクでは磁石に付かない物質を原子層厚の薄膜で磁石に変換 ~次世代スピントロニクスへの応用に期待~

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2025-04-21 東北大学

東北大学を中心とする研究チームは、通常は磁石に反応しない三セレン化二クロム(Cr₂Se₃)が、原子層レベルの薄膜としてグラフェン上に成長させることで強磁性を示すことを発見した。高輝度放射光X線やマイクロARPESによる解析から、グラフェン基板との界面で電子がCr₂Se₃に注入され、強磁性を発現させる要因であることが明らかになった。膜厚が薄いほど磁性が強まり、二次元材料における高温強磁性の実現手法として注目される。この成果はスピントロニクスや省エネルギー素子の新材料開発に貢献する。

<関連情報>

グラフェン上の非バンデルワールス単原子層Cr2Se3におけるスピンバレー結合による高TC強磁性の増強 Spin-valley coupling enhanced high-TC ferromagnetism in a non-van der Waals monolayer Cr2Se3 on graphene

C.-W. Chuang,T. Kawakami,K. Sugawara,K. Nakayama,S. Souma,M. Kitamura,K. Amemiya,K. Horiba,H. Kumigashira,G. Kremer,Y. Fagot-Revurat,D. Malterre,C. Bigi,F. Bertran,F. H. Chang,H. J. Lin,C. T. Chen,T. Takahashi,A. Chainani & T. Sato
Nature Communications  Published:18 April 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-58643-3

バルクでは磁石に付かない物質を原子層厚の薄膜で磁石に変換 ~次世代スピントロニクスへの応用に期待~

Abstract

Spin-valley magnetic ordering is restricted to layered van der Waals type transition-metal dichalcogenides with ordering temperatures below 55 K. Recent theoretical studies on non-van der Waals structures have predicted spin-valley polarization induced semiconducting ferromagnetic ground states, but experimental validation is missing. We report high-Curie temperature (TC ~ 225 K) metallic ferromagnetism with spontaneous spin-valley polarization in monolayer Cr2Se3 on graphene. Angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) reveals systematic temperature-dependent energy shifts and splitting of localized Cr 3 dt2g bands, accompanied by occupancy of the itinerant Cr 3deg valleys. The t2geg spin-valley coupling at the K/K’ points of hexagonal Brillouin zone leads to ferromagnetic ordering. Circular dichroism in ARPES shows clear evidence of spin-valley polarized states. Comparison with bilayer and trilayer Cr2Se3 reveals the crucial role of valley carrier density in enhancing TC and provides a guiding principle to realize 2D ferromagnetism at higher temperatures in non-van der Waals materials.

1700応用理学一般
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