東京大学,理化学研究所,総合科学研究機構中性子科学センター,高エネルギー加速器研究機構,J-PARCセンター,東北大学金属材料研究所,科学技術振興機構(JST)

令和3年11月18日

東京大学
理化学研究所
総合科学研究機構中性子科学センター
高エネルギー加速器研究機構
J-PARCセンター
東北大学金属材料研究所
科学技術振興機構(JST)

鉄シリコン化合物における新しいトポロジカル表面状態

~ありふれた元素を用いたスピントロニクス機能の実現~

ポイント

電子の持つ電気的な性質(電荷)と磁気的な性質(スピン)を同時に利用することによって磁石の状態を電気的に操作する技術は、現代のエレクトロニクスを大きく発展させる要素として注目されています。特に近年発見されたトポロジカル絶縁体は、その表面状態における高効率・省電力なスピン操作が可能であるため、有望な物質基盤になると期待されています。一方で、トポロジカル絶縁体を始めとした既存の候補物質は重元素の含有を必要とし、材料の観点からは希少性や毒性といった点で課題がありました。

東京大学 大学院工学系研究科の大塚 悠介 大学院生(当時)、金澤 直也 講師、平山 元昭 特任准教授、理化学研究所 創発物性科学研究センターの十倉 好紀 センター長らを中心とする研究グループは、東北大学 金属材料研究所の塚﨑 敦 教授、藤原 宏平 准教授らの研究グループと共同で、地球上に豊富に存在する鉄(Fe)とシリコン(Si)から成る化合物FeSiにおける新しいトポロジカル表面状態を発見し、強いスピン軌道相互作用に由来したスピントロニクス機能を実現しました。また東京大学 物性研究所の中島 多朗 准教授、総合科学研究機構 中性子科学センターの花島 隆泰 研究員、日本原子力研究開発機構 J-PARCセンター/高エネルギー加速器研究機構の青木 裕之 特別教授と共同で、FeSi表面における強磁性スピン状態を直接観測しました。

今回の発見によって、希少元素化合物において開拓されてきたトポロジカル物性やスピン操作機能を、ありふれた元素の化合物でも実現可能であることが明らかにされました。つまり、資源の制約や環境負荷を抑えつつ、電子デバイスの省電力化や高機能化を大きく進展させる可能性があり、情報化社会の持続的発展を支える物質基盤の確立に貢献することが期待されます。

本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費 補助金基盤研究 B「Zak 位相制御による表面状態設計とスピントロニクス機能実現(研究代表者:金澤 直也)」(Grant No.JP20H01859)、同基盤研究 B「トポロジカル熱輸送の低温イメージング分光(研究代表者:豊田 新悟)」(No.JP20H01867)、同 新学術領域研究(量子液晶の物性科学)「トポロジカルスピン液晶制御と巨大電子散乱現象(研究代表者:金澤 直也)」(Grant No.JP20H05155)、科学技術振興機構(JST) 創発的研究支援事業 FOREST「新世代コンピューティング素子のためのスキルミオン物質基盤創成(研究代表者:金澤 直也)」(Grant No.JPMJFR2038)、戦略的創造研究推進事業 CREST「ナノスピン構造を用いた電子量子位相制御(研究代表者:永長 直人)」(Grant No.JPMJCR1874)、同 CREST「トポロジカル絶縁体ヘテロ接合による量子技術の基盤創成(研究代表者:川﨑 雅司)」(Grant No.JPMJCR16F1)による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>

“Emergence of spin-orbit coupled ferromagnetic surface state derived from Zak phase in a nonmagnetic insulator FeSi”
DOI:10.1126/sciadv.abj0498

<お問い合わせ先>

(英文)“Emergence of spin-orbit coupled ferromagnetic surface state derived from Zak phase in a nonmagnetic insulator FeSi”

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