東京大学,東北大学,科学技術振興機構(JST)

令和3年7月7日

東京大学
東北大学
科学技術振興機構(JST)

磁性元素を配列した強磁性超格子構造の作製と巨大磁気抵抗の実現

~究極の原子層結晶成長法を駆使したスピントロニクス機能の実現へ新たな道~

ポイント

東京大学 大学院工学系研究科のLe Duc Anh 助教、小林 正起 准教授、吉田 博 特任研究員(上席研究員)、田中 雅明 教授のグループは、岩佐 義宏 教授グループ、東京大学 物性研究所の福島 鉄也 特任准教授、東北大学 電気通信研究所の新屋 ひかり 助教と共同で、インジウムヒ素(InAs)半導体結晶中に鉄(Fe)原子をほぼ1原子層の平面内に配列したFeAs-InAs単結晶超格子構造の作製に世界で初めて成功し、さまざまな新しい物性を観測しました。Fe-As正四面体結合からなる結晶構造は、その結合の分布(密度と形状)によって高温超伝導から高温強磁性まで重要な量子物性が確認され注目されています。InAsは高速トランジスターや長波長光デバイスに使われる半導体であり、エレクトロニクスに応用するためには、InAsのような主要な半導体の中にFe-As正四面体結合を高密度に配列することが望ましいと考えられますが、Feの低い固溶度のため相分離してしまうなどの理由で、その作製は非常に難しいことが知られています。本研究グループは低温分子線エピタキシー結晶成長法を用いることより、初めてInAs中に等間隔で母材の結晶構造(閃亜鉛鉱型)を保ちながらFeAs単原子層を埋め込んだ超格子構造を作製することに成功しました。この構造ではFe-As結合が非常に高密度に分布されるため、超格子構造全体が強磁性状態となり、全てのFe原子が最大に近い5ボーア磁子(5μ)の大きな磁気モーメントを持つことを明らかにしました。また、FeAs原子層の間隔を短くすると強磁性転移温度(強磁性を示す温度の上限であるキュリー温度Tc)が急増すること、超格子構造の電気抵抗が磁場によって500パーセントも変化する巨大磁気抵抗効果が発現すること、その磁気抵抗効果をゲート電圧で制御できることも示しました。本研究により、半導体ナノ構造中の磁性元素分布を原子レベルで制御し、将来のスピントロニクスデバイスのための機能材料を実現できることが分かりました。

本研究成果は、2021年7月7日(英国夏時間)に科学誌「Nature Communications」に掲載されます。

本研究は、科学研究費補助金、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「強磁性半導体を用いたトポロジカル超伝導状態の実現」(JPMJPR19LB)およびCREST「強磁性量子ヘテロ構造による物性機能の創出と不揮発・低消費電力スピンデバイスへの応用」(JPMJCR1777)、スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク(Spin-RNJ)の支援を受けて行われました。

<プレスリリース資料>

<論文タイトル>

“Ferromagnetism and giant magnetoresistance in zinc-blende FeAs monolayers embedded in semiconductor structures”
DOI:10.1038/s41467-021-24190-w

<お問い合わせ先>

(英文)“Ferromagnetism and giant magnetoresistance in zinc-blende FeAs monolayers embedded in semiconductor structures”

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