ナノスケールらせん型デバイスでダイオード効果を観測~デバイス形状と磁性で電子の流れやすさを制御~

2026-01-21 理化学研究所

理化学研究所の研究グループは、ワイル磁性体Co₃Sn₂S₂単結晶から集束イオンビーム(FIB)でナノスケールの3次元らせん型デバイスを削り出す手法を開発し、電流が一方向に流れやすいダイオード的(非相反)伝導を観測した。結晶自体は空間反転対称性を持つが、らせん形状というキラル幾何構造が空間反転対称性を破り、材料の磁化(時間反転対称性の破れ)と組み合わさることで非相反抵抗が生じることを示した。らせんの巻き方向や磁化を反転すると非相反性の符号も反転し、直線状デバイスでは効果が現れないことから幾何学起源が確認された。さらに、電流パルスのみで磁化を反転できることも実証し、立体形状設計と磁性で電子輸送を制御する新概念デバイスへの展開が期待される。成果はNature Nanotechnologyに掲載された。

ナノスケールらせん型デバイスでダイオード効果を観測~デバイス形状と磁性で電子の流れやすさを制御~
集束イオンビームによって加工したらせん型デバイスの走査型電子顕微鏡像

<関連情報>

切り替え可能な非相反電子輸送を備えた磁性ワイル半金属のナノ彫刻3Dヘリックス Nanosculpted 3D helices of a magnetic Weyl semimetal with switchable non-reciprocal electron transport

Max T. Birch,Yukako Fujishiro,Ilya Belopolski,Masataka Mogi,Yi-Ling Chiew,Zhuolin Li,Xiuzhen Yu,Naoto Nagaosa,Minoru Kawamura & Yoshinori Tokura
Nature Nanotechnology  Published:21 January 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-025-02104-x

Abstract

The emergent properties of materials are governed by the symmetries of their underlying atomic, spin and charge order. Therefore, intrinsic material properties usually constrain the exploration of symmetry-breaking effects. Focused ion beam (FIB) fabrication now enables the structuring of bulk crystals into ultraprecise transport devices, allowing the study of geometrical symmetry breaking on mesoscopic length scales. Here we extend FIB nanostructuring into three-dimensional, curvilinear geometries. Using single crystals of the high-mobility, centrosymmetric magnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2, we sculpt helices with lengths of 3–14 μm, diameters of 1–4 μm and pitches ranging from 500 nm to 2 μm. Lock-in measurements on the helical devices at temperatures between 10 K and 190 K show that the combination of imposed inversion symmetry-breaking geometry and ferromagnetism yields non-reciprocal electron transport—or diode effect—at zero applied magnetic field, exceeding classical self-field expectations by orders of magnitude at low temperatures. We attribute this behaviour to the quasi-ballistic motion of carriers as the mean free path approaches the length scale of the chiral device geometry. Finally, we show that current pulses can switch the magnetization of the device. These results highlight the potential of FIB nanosculpting to engineer symmetry and functionality beyond conventional device geometries.

0403電子応用
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