東京工業大学(東工大)と千葉大学は9月1日、原子が平面状に並んだ2次元物質の一種で、空間反転対称性の破れた磁性絶縁体である「Crハライド」系の物質にギガヘルツ帯からテラヘルツ帯の電磁波を印加することで、「スピン流」の整流効果が生じることを理論的に明らかにしたことを発表した。
同成果は、東工大 理学院 物理学系の石塚大晃准教授、千葉大大学院 理学研究院の佐藤正寛教授らの研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する機関学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。
空間反転対称性の破れた物質では、p型とn型の2種類の半導体によるpn接合などを作らなくても光起電効果を示す。この現象は「バルク光起電効果」と呼ばれ、ペロブスカイト酸化物などの物質で知られている。特にバルク光起電効果の一種である「シフト電流」は、pn接合によるこれまでの太陽電池の性能限界を超える可能性があることがわかってきている。
一方で、ペロブスカイト酸化物などの遷移金属化合物は、半導体以外にも磁性体などの多様な性質を示す。これらの物質中では、電子以外に磁石の性質を持つ「マグノン」や「スピノン」など、多彩な粒子が発現することが知られている。
産業応用において、鍵となる技術の1つがスピノンやマグノンの流れであるスピン流の生成と制御だという。スピン流を光によって特定の方向へ整流する方法は、2019年に研究チームによってその原理が提案されたが、観測可能な強度のスピン流を実現できる候補物質は見つかっていなかった。
そこで研究チームは今回、候補物質の発見に向けて、実際の物質において生じるスピン流を理論的に計算できる一般的な公式を導出することにしたという。そして、原子が平面状に2次元に並んだ物質である2層Crハライド系物質が着目され、同物質の理論模型にさまざまな周波数の電磁波を印加した際の、スピン流の発生の有無や条件の理論的な解析が行われることとなった。
磁性体中では、各原子がそれぞれ小さな磁石(磁気モーメント)として振る舞っており、それらがさまざまな並び方をすることで多彩な性質を示す。2層Crハライド系物質の反強磁性状態では、磁気モーメントの特殊な配列のために空間反転対称性が破れる。そのため、太陽電池の場合と同様にスピン流の光整流が可能となり、さらにCrハライド系物質では、磁気モーメントを持つマグノンが現れるという。
