理化学研究所(理研)は、「磁性トポロジカル絶縁体」の磁壁におけるトポロジカル電流の観測とスピントロニクスデバイスの基礎原理の実証に成功したと発表した。

同成果は、理化学研究所創発物性科学研究センター強相関物性研究グループの安田憲司　研修生、十倉好紀 グループディレクター、強相関界面研究グループの川﨑雅司 グループディレクター、動的創発物性研究ユニットの賀川史敬 ユニットリーダー、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦 教授らの共同研究グループによるもの。詳細は米国の学術誌「Science」オンライン版に掲載された。

近年、磁性トポロジカル絶縁体と呼ばれる特殊な磁石で「量子異常ホール効果」という現象が観測された。これは、磁石中に磁化があることで生じる外部磁場が不要な量子ホール効果であり、試料端において、エネルギー散逸の少ないトポロジカル電流が一方向に流れる。

  • 量子異常ホール状態での試料端と磁壁に生じるトポロジカル電流 (出所:理研Webサイト)

このとき、磁区の境界である磁壁においてもトポロジカル電流が生じることが理論的に提唱されていた。磁壁でのトポロジカル電流は、その向きおよび位置を制御することができるため、これを用いた再構成可能な回路の設計が可能であり、低消費電力素子への展開を飛躍的に進めると期待されている。

しかし、磁区を任意に作ることが困難であり、磁壁でのトポロジカル電流はこれまで観測されていなかった。

今回、研究グループは、磁気力顕微鏡を用いることで、磁性トポロジカル絶縁体上に任意の磁区を書き込む手法を新たに確立した。磁区形成後の素子に対して、0.5Kの極低温で電気伝導測定を行ったところ、磁区構造に応じた量子化抵抗が観測され、磁壁におけるトポロジカル電流の存在が確認されたとしている。

また、単一素子内でのさまざまな磁区構造の形成により、トポロジカル電流の流れおよび量子化抵抗を自在に制御できることを明らかにしたという。

今回の成果を受けて研究グループは、今後、電流での磁壁駆動による次世代磁気メモリの構築や動作温度の高温化によるデバイスのさらなる発展が期待できるとしている。