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【研究成果】トポロジカル絶縁体を強磁性にする新たな方法を発見 -量子異常ホール効果を利用したデバイス開発へ進展-

本研究成果のポイント

  • トポロジカル絶縁体に強磁性層を埋め込むことに成功
  • 室温でも強磁性状態の維持を実証
  • 高温での量子異常ホール効果の実現、デバイス開発に新たな道

概要

東京工業大学 理学院 物理学系の平原徹准教授、東京大学 物性研究所の白澤徹郎助教(現 産業技術総合研究所主任研究員)、同大大学院理学系研究科の長谷川修司教授、分子科学研究所の田中清尚准教授、木村真一准教授(現 大阪大学教授)、横山利彦教授、広島大学 放射光科学研究センターの奥田太一教授、ロシア・スペインの理論グループらは共同で、トポロジカル絶縁体の表面近傍に規則的な強磁性層を埋め込むことに成功し、さらに室温であっても強磁性状態であることを実証しました。

トポロジカル絶縁体とは、物質内部は絶縁体で電流を通さないが、表面には金属状態が存在し、電流を流すことのできる新しい絶縁体です。このトポロジカル絶縁体にさらに磁石の性質である強磁性注1を導入することで、輸送特性として量子異常ホール効果注2が実現します。しかしこれまでのやり方では、量子異常ホール効果が実際に観測される温度が、最高でも-271℃と低い温度にとどまっていました。

今回、トポロジカル絶縁体であるBi2Se3薄膜上にさらにSeと磁性元素Mnを蒸着したところ、表面近傍にMnとSeが潜り込み、MnBi2Se4/Bi2Se3という構造が形成されました。そして電気的および磁化特性測定によりこの物質が室温でも強磁性状態であることが明らかになりました。この成果によって量子異常ホール効果がこれまでより高温で実現され、デバイス応用につながることが期待できます。

本成果は、平成29年5月26日に、米国化学会誌「Nano Letters (ナノレターズ)」にJust Acceptedでオンライン掲載されました。

構造解析によって決定されたヘテロ構造の原子構造(a)およびその表面ディラック電子のバンド構造。

論文情報

  • 雑誌名:Nano Letters
  • タイトル:“A large-gap magnetic topological heterostructure formed by subsurface incorporation of a ferromagnetic layer”
  • 著者:Toru Hirahara, Sergey V. Eremeev, Tetsuroh Shirasawa, Yuma Okuyama, Takayuki Kubo, Ryosuke Nakanishi, Ryota Akiyama, Akari Takayama, Tetsuya Hajiri, Shinichiro Ideta, Masaharu Matsunami, Kazuki Sumida, Koji Miyamoto, Yasumasa Takagi, Kiyohisa Tanaka, Taichi Okuda, Toshihiko Yokoyama, Shin-ichi Kimura, Shuji Hasegawa, and Evgueni V. Chulkov
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00560
【研究に関するお問い合わせ先】

広島大学 放射光科学研究センター 教授 奥田太一
E-mail: okudat*hiroshima-u.ac.jp (*は半角@に置き換えてください)
TEL: 082-424-6996
FAX: 982-424-6294

東京工業大学 理学院 物理学系 准教授 平原徹
E-mail: hirahara*phys.titech.ac.jp (*は半角@に置き換えてください)
TEL: 03-5734-2365
FAX: 03-5734-2365
  
東京大学大学院 理学系研究科 物理学専攻 教授 長谷川修司
E-mail: shuji*surface.phys.s.u-tokyo.ac.jp (*は半角@に置き換えてください)
TEL: 03-5841-4167
FAX: 03-5841-4167

分子科学研究所 極端紫外光研究施設 准教授 田中清尚
E-mail: k-tanaka*ims.ac.jp (*は半角@に置き換えてください)
TEL: 0564-55-7202
FAX: 0564-54-7079

分子科学研究所 物質分子科学研究領域 教授 横山利彦
E-mail: yokoyama*ims.ac.jp (*は半角@に置き換えてください)
TEL: 0564-54-7345
FAX: 0564-55-7448

【取材に関するお問い合わせ先】

広島大学 財務・総務室広報部 広報グループ
E-mail:koho*office.hiroshima-u.ac.jp (*は半角@に置き換えてください)
TEL:082-424-6762
FAX:082-424-6040

東京工業大学 広報・社会連携本部 広報・地域連携部門
E-mail:media*jim.titech.ac.jp (*は半角@に置き換えてください)
TEL:03-5734-2975 
FAX:03-5734-3661

東京大学 物性研究所 広報室
E-mail:press*issp.u-tokyo.ac.jp (*は半角@に置き換えてください)
TEL:04-7136-3207
  
東京大学大学院 理学系研究科・理学部
特任専門職員 武田加奈子、学術支援職員 谷合純子、教授・広報室長 大越慎一
E-mail:kouhou*adm.s.u-tokyo.ac.jp (*は半角@に置き換えてください)
TEL:03-5841-0654

分子科学研究所 広報
E-mail:kouhou*ims.ac.jp (*は半角@に置き換えてください)
TEL:0564-55-7262
FAX:同上


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