東京大学は、希薄磁性半導体中の微量な磁性元素のみを高精度で観測することにより、磁石の性質を示す仕組みを解明したと発表した。

同成果は、同大大学院 工学系研究科の小林正起特別研究員、同大 物性研究所の原田慈久准教授、同大 放射光連携研究機構の尾嶋正治特任教授、同大大学院 工学系研究科の田中雅明教授らによるもの。日本原子力研究開発機構(JAEA)、高輝度光科学研究センター(JASRI)、広島大学と共同で行われた。詳細は、米国物理学会の速報誌「Physical Review Letters」オンライン版に掲載された。

シリコンに代表される半導体は、電子機器やPCの集積回路、LEDなど身近に存在し、その応用は多岐にわたる。一方で、HDDなどの記録媒体には、磁石の性質(強磁性)を示す磁性材料が用いられている。物質を構成する電子は電荷を持つとともに、ミクロな磁石の性質も持ち合わせており、半導体は電荷の性質、磁性体は磁石の性質を利用している。この半導体の持つ電気的な性質と磁性材料が持つ磁石の性質を併せ持った物質が希薄磁性半導体であり、その1つに磁性元素のMnを半導体のGaAsに数%の濃度で添加してできたGaMnAsがある。

この半導体内に、点在しているMnは、それ自体がミクロな磁石の性質(スピン)を持っているが、磁性体になるためには、それぞれのスピンの向きが揃っていなければならない。このため、離れたMn同士のスピンの向きを揃えるために、電気伝導を担うキャリア(ここでは正孔)が働いていると考えられている。しかし、強磁性が発現するメカニズムは明らかになっておらず、これまで様々なモデルが提唱されている。

代表的なモデルは、三価のガリウム(Ga3+)を二価のMn(Mn2+)で置換することで、スピンを持ったMnが電気伝導を担うキャリアの供給源(アクセプター)にもなるZener p-d交換モデル、もう1つはMnは三価のままでキャリアがその周りに弱く束縛されている磁気ポーラロンモデルである。Zener p-d交換モデルでは、スピンを持つキャリアが結晶内を自由に移動することで、遠く離れた磁性元素同士のスピンの向きを揃える。磁気ポーラロンモデルでは、Mnの周りに束縛されたキャリアが水素原子のような状態を作り、隣接するキャリアの軌道が重なることでMn同士のスピンの向きが揃う。これら2つのモデルではMnの価数が異なっていることが予想されるため、GaMnAs中のMnの価数を同定するための研究が精力的に行われてきたが、価数だけではメカニズムを結論づけることができなかった。

図1 Ga1-xMnxAsの結晶構造。Mnの添加により、本来Gaが存在する場所にMnが配置されている

図2 Ga1-xMnxAsで提唱されている強磁性発現モデル。(a)Zener p-d交換モデルと、(b)磁気ポーラロンモデル。図内の矢印は磁石の向きを表す

GaMnAsの強磁性発現メカニズムを明らかにするためには、磁性元素であるMnの価数に加え、GaAsの分子軌道とMnの結合の強さも含めた詳細な電子状態の情報が必要となる。そこで、研究グループは、特定の元素の電子状態を高感度で検出することのできる軟X線吸収・発光分光と呼ばれる手法を用いてGaMnAs中のMnの電子状態を調べた。しかし、従来の装置を用いた軟X線吸収分光では、2つのモデルから理論計算で求められるスペクトルに違いがほとんどなく、実験結果との比較で正しいモデルを示すことができなかった。

そこで、従来のものより1桁高いエネルギー分解能を持つ軟X線発光分光装置を用いて精密に分析した。図3は、入射したX線のエネルギーを原点として描いた軟X線発光スペクトル。実験で得られたスペクトルは、高分解能の測定にも関わらず、滑らかな山のような形状を示した。この結果は孤立して存在しているMnでは予想されないもので、GaAsとMnの分子軌道がよく結合していることを示唆していた。

次に、実験で得られた軟X線発光スペクトルと、理論モデルによるシミュレーションの計算結果を比較した。その結果、2つのモデルから理論計算で求められる軟X線発光スペクトルの形状に大きな違いが見られた。図3で示したように、軟X線発光スペクトルに見られる特徴的なピークAとCは、三価のMnでは周囲の原子の軌道から構成される水素原子のような束縛軌道との結合が強いと仮定した計算で良く再現することができている。一方で、二価のMnを仮定した計算結果にあるピークBは実験結果と全く一致しなかった。この結果は、Mnが二価であるZener p-d交換モデルよりも、Mnが三価である磁気ポーラロンモデルに近い電子状態となっていることを示唆している。これらより、磁性元素であるMnの価数と軌道の結合を実験と理論で検証し、GaMnAsにおける強磁性を正しく説明するのは磁気ポーラロンモデルであることを明らかにした。

図3 GaMnAsの軟X線発光スペクトルと計算によるシミュレーションの比較。実験スペクトル(黒)の特徴とよく一致するのは三価のMnを仮定したシミュレーション結果(赤)であることが分かる

今回の研究では、GaMnAsに含まれる微量な磁性元素であるMnの電子状態を高精度な軟X線発光分光実験により観測し、計算によるシミュレーションと比較することで、強磁性を発現するメカニズムを正しく記述するのは磁気ポーラロンモデルであることを示した。この知見は、GaMnAsの高性能化や、理論モデルによる希薄磁性半導体の新たな物質設計に役立つと期待される。また、高感度な検出器と高輝度光を用いた高精度な軟X線発光分光を利用して、Mnなどの磁性元素を含む希薄磁性半導体の電子状態を明らかにすることで、スピントロニクスのさらなる発展が期待されるとコメントしている。