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革新的な極性金属を発見! 電子のスピンと運動がロックした状態の制御に成功 ―基礎研究から新しいデバイス応用へ―

大阪大学大学院理学研究科の酒井英明准教授(研究当時:JSTさきがけ研究者兼任)、同大学院生の近藤雅起さん(博士課程後期)、黒木和彦教授、花咲徳亮教授らの研究グループは、東北大学大学院理学研究科の松原正和准教授、東京大学物性研究所の徳永将史准教授らの研究グループとの共同研究により、空間反転対称性の破れた結晶の中で実現する電子のスピンと運動量がロックした状態を、構成元素を変化させることで制御できる金属物質を発見しました。この物質は、ビスマスやアンチモンの二次元伝導層とマンガンなどからなる絶縁層が積層した物質で、二次元伝導層が正方形からジグザグ構造にわずかに歪むことで、空間反転対称性の破れた極性構造となることが実験的に明らかになりました(図1a,b,c)。この歪みはわずか0.1〜1%程度ですが、伝導を担う電子のスピンと運動量が完全にロックした状態を実現しています(図1d)。

fig1
図1 (a) BaMnX2 (X=Bi, Sb) の結晶構造。二次元伝導層をハイライト。(b)面直方向から見た伝導層。面内方向に極性を持つ。(c) 単結晶の偏光顕微鏡像。偏光の違いにより極性ドメインが観測される。(d) スピンと運動量(バレー)がロックした状態の概念図。スピンの向きが、バレーの位置に依存して固定される。

空間反転対称性の破れは、主に強誘電体や圧電体などの絶縁体の物性において、その重要性が知られてきました。一方、空間反転対称性が破れた金属も、電子のスピンと運動量のロックに起因する従来にない伝導現象や光学現象が見いだされ、近年注目を集めています。これまで、二硫化モリブデン単層薄膜などが典型物質として知られていましたが、ロックされるスピンと運動量の関係は、その特殊な結晶構造で決まっており、多彩なロック状態を実現することは不可能とされてきました。

図2 X元素に依存した極性結晶歪みの大きさ(上)とスピン・バレー結合状態(下)
図2 X元素に依存した極性結晶歪みの大きさ(上)とスピン・バレー結合状態(下)

今回、本研究グループが見いだした層状の金属物質では、スピンと運動量のロック状態が微小な結晶歪みにより実現されているため、人工的に制御することができます。実際、構成元素の一つであるアンチモンをビスマスで置き換えた結果、歪みが約1/10に減少し、スピンと運動量のロック状態が幅に変化することを理論と実験の両面から解明しました(図2)。この特性を活かすことで、スピンと運動量のロック状態の最適化が可能となるため、将来のデバイス応用に有用な物質として期待されます。
本研究成果は、英国科学誌「Communications Materials」に、5月14日(金)18時(日本時間)に公開されました。

論文情報

  • 掲載雑誌:英国科学誌 Communications Materials(オンライン)
  • タイトル:“Tunable spin-valley coupling in layered polar Dirac metals”
  • 著者名:M. Kondo, M. Ochi, T. Kojima, R. Kurihara, D. Sekine, M. Matsubara, A. Miyake, M. Tokunaga, K. Kuroki, H. Murakawa, H. Hanasaki, and H. Sakai

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(公開日: 2021年05月14日)