応力発光半導体でスピンドープ強磁性を発見~エネルギー関連材料の機能革新に大きく寄与~

2025-08-07 佐賀大学,東北大学,筑波大学九州大学,高エネルギー加速器研究機構, J-PARC センター

佐賀大学、東北大学、筑波大学、九州大学、高エネルギー加速器研究機構の共同研究は、応力発光半導体Eu:SrAl₂O₄に微量の磁性原子を添加し、超長距離磁気カップリングによるスピンドープ強磁性を初めて実証しました。ミュオンスピン分光で外因性不純物の影響を排除しつつ強磁性転移を観測し、光照射実験でポーラロンが磁性発現に関与することも解明。光や機械的力で磁性制御が可能であることを示しました。従来強磁性を持たない応力発光半導体に新機能を付与し、力・光・スピントロニクスの相互制御や多元エネルギー変換など新技術への道を拓く成果であり、転移温度向上により量子工学やエネルギー変換デバイスへの応用が期待されます。

応力発光半導体でスピンドープ強磁性を発見~エネルギー関連材料の機能革新に大きく寄与~

<関連情報>

メカニカルルミネッセンス半導体Eu:SrAl2O4における超長距離磁気結合とフェロ磁性スピン凍結 Superlong-Range Magnetic Coupling and Ferromagnetic Spin Freezing in Mechanoluminescent Semiconductor Eu:SrAl2O4

Xu-Guang Zheng, Ichihiro Yamauchi, Tomasz Galica, Eiji Nishibori, Tatsuya Kawae, Jumpei G. Nakamura, Akihiro Koda, Chao-Nan Xu
Advanced Science  Published: 31 July 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/advs.202509474

Abstract

Magnetic transition in nonmetals requires the presence of a considerable proportion of magnetic spins. A new type of ferromagnet named dilute ferromagnetism that contradicts this well-established concept is proposed for semiconductors of ZnO etc. but has remained experimentally unproven. In this study, an unconventional superlong-range magnetic coupling and ferromagnetic spin freezing are reported, which can be viewed as an experimental realization of an intrinsic dilute ferromagnetism, in mechanoluminescent material of EuxSr1-xAl2O4 (x = 0.2−2%), wherein Eu is sparsely incorporated into the lattice to substitute Sr. Ferromagnetic coupling appears below ≈80 K and fully saturated ferromagnetic magnetization appears below ≈3 K, with an unusually large magnetic moment of ≈14 µB per Eu2+. Muon spin spectroscopy demonstrates intrinsic spin freezing with a spontaneous internal field developed below TC of ≈3 K. The neighboring magnetic Eu2+ ions in the lattice have an exceptionally large separation more than one order of magnitude larger than those in conventional magnets, marking it as a unconventional magnetic order over a superlong distance. Bound magnetic polarons arising from electrons trapped at oxygen vacancies may account for this unconventional ferromagnetism. Magnetization under light radiation supports this scenario.

0403電子応用
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