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Zak位相 / 表面状態 / スピントロニクス

Zak位相という現代の電気分極物理の理論の基盤をなす量子位相の概念を用いて、新しい表面金属状態を開拓し、そのスピントロニクス機能を開拓することを大きな目標として研究を進めている。特にトポロジカル絶縁体とは異なる物質系に着目し、スピントロニクス技術を支える物質の幅を広げることが研究の特色となっている。
現在すでに全体研究目標を達成している。具体的には、候補物質である非磁性絶縁体金属間化合物の薄膜においてZak位相由来のトポロジカル表面強磁性金属状態の開拓に成功し、その大きなスピン軌道結合によって非相反電気伝導(pn接合を用いないダイオード効果)や電流誘起磁化反転(不揮発性情報担体となる磁化の電気的制御)といったスピントロニクス機能を実現している。一般に巨大なスピン軌道物性機能の実現には重元素固有の強いスピン軌道相互作用が必須であると考えられてきたが、これらの結果はその常識を打ち破り、軽元素化合物に潜んだ表面スピンオービトロニクス機能を顕在化させたものである。これらの成果を論文として出版し[Science Advances 7, abj0498(2021)]、プレスリリースや新聞掲載により広く情報発信を行なった。さらに当初の目標を大きく超えて、Zak位相由来の新規表面状態の電子・スピン状態の直接観測の実験を実施中である。具体的にはX線磁気円二色性(XMCD)によって表面の軌道とスピンモーメントの分離や分布を計測しており、結果について日本物理学会で発表を行なった。

スピントロニクス / 磁気抵抗効果 / ナノ接合 / 有機膜 / 強磁性体 / 表面・界面状態 / 磁化状態 / 電流電圧特性 / 有機分子膜 / 表面状態 / バリスティック伝導

本研究課題では、強磁性薄膜のエッジとエッジに有機分子を挟んだ強磁性薄膜/有機分子/強磁性薄膜量子十字素子を提案し、その表面・界面構造、電気伝導特性、並びに、磁気特性を調べることを目的とした。初めに、表面状態、磁化状態、及び、エッジ状態について詳細に調べた結果、Co/SiO_2が量子十字素子の電極材料として最も適していることがわかった。次に、本研究課題で構築した独自の成膜・研磨・エッチング技術を用いて、Co/有機分子/Co量子十字素子を作製し、その特性評価を行った。その結果、室温にて非常に興味深いスイッチング特性を見出すことに成功した。

スピンエレクトロニクス / スピンホール効果 / エッジ状態 / トポロジカル秩序 / スピン流 / ビスマス / 表面状態 / グラファイト / ベリー位相 / スピントロニクス / フォトニック結晶 / スピン軌道相互作用 / p型半導体 / 電気分極 / ゲージ場

電場でスピン流を誘起する効果(スピンホール効果)について、本年度は特に量子スピンホール相に着目し研究した。量子スピンホール相とはトポロジカル秩序の一種で、非磁性絶縁体であるが非自明なトポロジカル数を持ち、不純物等に対して安定な表面状態を持つ。こうした相は理論的に提唱されたものの、実験と関連づけられる系はまだないため、その候補となる物質探索を行った。前年度研究代表者が発見したように、絶縁体でのスピンホール効果は帯磁率と関連づけられるため、反磁性帯磁率の大きいビスマスについて、薄膜の場合にトポロジカル数の計算やバンド計算を行い、2次元系では量子スピンホール相になることを提案した。3次元での表面状態等の実験との比較を行い、半金属ビスマス、アンチモンやそれらの合金が量子スピンホール相の候補となることを理論的に提案した。本結果を実験研究者や第一原理研究者へと提案し、実験的検証に向け研究を進めている。
上記とも関連して電荷のポンピングの研究も行った。異常ホール効果やスピンホール効果と、電荷のポンピングとは一見全く異なっているが、理論的な枠組み(ベリー位相の物理)は類似しており同様の方法論を使うことができる。特に今年度は不純物の多い1次元系について、ベリー位相によるトポロジーの効果が、(不純物の存在下でも)電荷ポンピングに強く影響することを実証した。
また光でも同様の現象が研究代表者らにより前年度に予言された。この光のベリー位相の物理について、今年度は精密な定式化を行い、媒質界面やフォトニック結晶内での光線のシフトを計算した。またX線についても、ベリー位相の効果が顕著になる例を発見した。それは歪んだ結晶中をX線波束が進む場合に、歪みの大きさよりも何桁も大きく波束がシフトするというものであり、これは最近実験的に観測されつつある。

【研究分担者】
平山元昭	東京大学	大学院工学系研究科(工学部)	特任准教授	(Kakenデータベース)