理研と東大、超低消費電力デバイスの実現に向けた新材料を開発

理化学研究所(理研)と東京大学(東大)は8月20日、エネルギーを損失することなく電流を流す新原理の実現が期待できるエレクトロニクス材料を開発したと発表した。これにより、超低消費電力のエレクトロニクス技術開発の可能性が開けたという。

成果は、理研基幹研究所 強相関量子科学研究グループのJ. G. Checkelsky客員研究員、強相関複合材料研究チーム 岩佐義宏チームリーダー(東京大学大学院工学系研究科教授)、十倉好紀グループディレクター(同大 教授)、東京大学大学院 工学系研究科 叶劍挺特任講師、同大 総合文化研究科 小野瀬佳文准教授らによるもの。詳細は、科学雑誌「Nature Physics」に掲載されるのに先立ち、8月19日付け(現地時間)のオンライン版に掲載された。

エネルギー損失のない電気の輸送法として、「超伝導」と「量子ホール効果」が知られている。特に、超伝導は有名で、医療用MRIや加速器に用いられる超伝導磁石など、様々な形で実用化されている。一方、1980年に発見された量子ホール効果は、特殊な半導体を非常に強い磁場中に置くと、その端にエネルギー損失することなく電流が流れるという現象で、電子デバイスの省エネルギー化に役立つと期待されている。強い磁場の中で、電子はサイクロトロン運動という円運動を行い、試料の端では電子はジャンプしながらエネルギーを損失することなく一方向に流れる。しかし、この現象が発現するには、地磁気の20万倍に当たる10T以上の強い磁場が必要となる。このため、実用化には、同様の現象を外部磁場のない状態で実現する新たな原理と、特殊な条件を持った半導体で、かつそれ自体の内部に強い磁場を持つような材料を開発する必要があった。

今回、SiやGaAsなどの従来から用いられる典型的な半導体材料ではなく、最近注目を集めているトポロジカル絶縁体を研究対象に採用した。この物質は結晶内部が絶縁体だが、表面だけに電気が流れるという、これまでの絶縁体、半導体、金属という分類には当てはまらない全く新しいカテゴリの物質である。また、トポロジカル絶縁体の表面電子は、あたかも重さがないように振る舞うので、電子の速度が速いことが特徴となっている。この表面状態の性質は、基礎物性の研究対象として興味深く、かつ量子ホール効果を実現するための条件を満たしているため、世界中で激しい研究競争が行われている。

研究グループでは、図1右のように、この物質に磁石としての性質を持たせることができれば、内部に強い磁場が働いているのと同じ状況が実現でき、図1左の量子ホール効果と同様な現象が観測できると考えた。ここで観測される"類似"の現象は、量子異常ホール効果と呼ばれ、エネルギー損失がなく電流を流せる可能性がある。

図1 量子ホール効果(左)と量子異常ホール効果(右)の模式図。量子ホール効果では、半導体に強磁場を印加することによって、試料の端にエネルギー損失することなく電流が流れる。一方、特殊な磁石を用いた異常量子ホール効果でも、材料自身が持つ磁化によって、外部磁場を印加しなくても試料の端にエネルギー損失することなく電流が流れることが、理論的に予言されている

そこで、磁石の性質を持たせるために、トポロジカル絶縁体の一種であるBi2Te3に少量の磁性元素マンガンを添加した材料「磁性トポロジカル絶縁体」を開発した。その試料から原子50層程度の厚みを持つ薄膜微小単結晶を作り電界効果トランジスタを作製した。作製に当たり、表面だけを流れる電流を測定し、特殊な表面状態の電気的・磁気的性質を明らかにするため、薄膜を用いた。また、表面における電子の数を電圧によって制御するため、電界効果トランジスタを作製した。

図2 磁性トポロジカル絶縁体単結晶薄片を用いた電界効果トランジスタの光学顕微鏡写真

その結果、電圧を変化させて電子数を調整すると、磁性トポロジカル絶縁体表面が磁石の性質を持つようになることを発見した。磁石になる温度(磁性転移温度)は、11K(ケルビン:-262℃)と非常に低い温度だが、電子の数を増やしていくと磁性転移温度が低下していくことが明らかになった。従来、半導体に磁性元素を添加することによって磁石のような性質を発現させる研究は数多く行われてきた。しかし、今回の磁性トポロジカル絶縁体表面の磁石の性質は、従来の半導体型磁石とは全く逆の傾向を示している。この傾向は、トポロジカル絶縁体表面にある質量ゼロに振る舞う電子を考えることによって初めて説明できるという。

図3 マンガンをドープしたトポロジカル絶縁体Bi2Te3の磁気相図。マンガンを添加したトポロジカル絶縁体テルル化ビスマスBi2Te3は、11K(-262℃)以下で磁石に転移することが明らかになった。その転移温度は、電子密度を増加させると低下してゆく傾向を示す。この傾向は従来の磁性半導体のモデルでは説明ができず、トポロジカル絶縁体表面の質量ゼロの電子を考慮すると初めて説明が可能になるものである

また、2つ目の重要な結果として、磁性トポロジカル絶縁体の中の磁壁が、電流を運んでいると考えられる現象を発見した。これは、従来の半導体型磁石では観測されることがなかったもので、量子異常ホール効果による試料端に流れる電流に相当する可能性がある。

図4 磁石中での磁壁に沿った電流。2次元的な磁石中の磁区構造(左)とその拡大図。磁壁に沿って流れると考えられる電流の存在を発見。これは、図1右の量子異常ホール効果における端電流と見なすことができる

今回、トポロジカル絶縁体表面における質量ゼロに振る舞う電子が関与した磁石の発見、および磁性トポロジカル絶縁体の中の磁壁が運ぶ電流と考えられる現象の観測という2つの成果を得た。今後は、量子異常ホール効果を確証するために、観測された異常ホール効果が厳密に量子化されること、磁壁が運ぶ電流がエネルギー損失を伴っていないことを明らかにする必要がある。さらに、今回発見した材料が磁石になるのが、非常に低温に限られるという問題があった。この問題に対して、従来の物質合成から得られる経験的な知見と、大型計算機などを用いた物質設計を駆使し、室温で磁性を発現できる材料を開発することが求められる。これらが実現すれば、超低消費電力エレクトロニクスの開発が大きく前進することが期待できるとコメントしている。

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