東大など、磁性半金属の性質をゲート電圧で変調させることに成功したと発表

東京大学(東大)、理化学研究所(理研)、科学技術振興機構(JST)の3者は4月15日、磁性半金属「テルル化クロム」の強磁性転移温度、磁気異方性、異常ホール効果などの性質を、ゲート電圧で変調することに成功したと共同で発表した。

同成果は、東大大学院 工学系研究科 附属量子相エレクトロニクス研究センターの中野匡規特任准教授(理研 創発物性科学研究センター(CEMS) 創発機能界面研究ユニット ユニットリーダー(現・芝浦工業大学 工学部 教授)兼任)、同・平山元昭特任准教授(CEMS トポロジカル材料設計研究ユニット ユニットリーダー兼任)、東大大学院 工学系研究科 物理工学専攻の岩佐義宏教授(研究当時)(CEMS 創発デバイス研究チーム チームリーダー兼任(現・CEMS 副センター長/CEMS 創発デバイス研究グループ グループディレクター)兼任)、同・梶原駿大学院生(研究当時)、同・王越大学院生(研究当時)、東大 生産技術研究所の松岡秀樹特任助教(CEMS 創発デバイス研究チーム 基礎科学特別研究員(現・同チーム 客員研究員)兼任)、東大 先端科学技術研究センター 計算物質科学分野の野本拓也講師(現・東京都立大学 理学部物理学科 准教授/CEMS 計算物質科学研究チーム 客員研究員兼任)、同・有田亮太郎教授(CEMS 計算物質科学研究チーム チームリーダー兼任)らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国科学振興協会が刊行する「Science」系のオープンアクセスジャーナル「Science Advances」に掲載された。

• 今回の研究における磁性のゲート制御の概念図と、対応する電子構造概要(出所:共同プレスリリースPDF)

スピントロニクスデバイスへの応用が期待できることから、電気が流れる磁性体が注目されている。そのような磁性体を構成する物質系には、鉄に代表される金属磁性体や、半導体に磁性イオンを添加することで得られる希薄磁性半導体などがあるが、近年になって新たな研究対象とされているのが磁性半金属。

磁性半金属は、そのバンド構造におけるバンド交差点が磁性と関連し、さまざまな機能性を提供することが期待されている。その応用の1つとして研究開発が進められているのが、ゲート電圧によって磁性を制御できる「磁性体ゲートデバイス」。

• 今回作製されたインターカレーションを活用したゲートデバイスの構造(出所:共同プレスリリースPDF)

磁性半金属を用いた磁性体ゲートデバイスでは、磁性半金属のバンド交差点付近に存在する伝導電子が、強磁性転移温度、磁気異方性、磁気輸送特性など、多岐にわたる磁性に影響を及ぼすことが期待されている。しかし、磁性半金属は存在が希少ということもあり、そのような研究はこれまでほぼ行われてこなかったという。

そこで研究チームは今回、ごく最近、磁性半金属であることが確認されたテルル化クロムに注目し、イオンのインターカレーション(層状物質などの物質中の隙間に元素を挿入すること)を利用したゲート技術を適用することで、テルル化クロムの磁性をゲート電圧で大きく変調させることを試みることにしたとする。

具体的には、ゲート電圧を細かく変化させることで、テルル化クロム中に存在する伝導電子の数の精密な制御が行われた。すると、強磁性転移温度の大幅な上昇や、面直磁気異方性と面内磁気異方性の完全な切り替え、さらには異常ホール効果と呼ばれる磁気輸送現象の符号反転などの劇的な変化が観測されたという。

特に興味深い点は、これらの磁性を特徴付ける性質が、ゲート電圧に対して非単調に切り替わる点とする。中間のゲート電圧の領域において磁気異方性が面内に切り替わり、かつ強磁性転移温度が特異的に増大する振る舞いが見られたとした。先行研究からの類推によると、この中間領域ではバンド交差点付近の伝導電子の寄与が最も大きくなっていることが考えられることから、今回の研究で観測された劇的なゲート効果においては、磁性半金属特有の特異な伝導電子がその本質的な役割を担っていることが示唆されるとした。

• 今回得られた磁性制御の例。2Kにおける異常ホール効果(a)と強磁性転移温度(b)が、ゲート電圧の印加に伴い非単調に変化している(出所:共同プレスリリースPDF)

今回の研究で観測された、ゲート電圧に対する磁性の非単調な振る舞いは、従来の希薄磁性半導体や金属磁性体におけるゲート効果では観測されたことのないものであり、磁性半金属におけるゲート効果の特異性を際立たせるものといえるとする。このような従来の磁性体ゲートデバイスでは見られない特徴を利用することで、磁性半金属を主役とする、新しいスピントロニクスデバイス技術への応用展開が期待されるとしている。