大阪大學,東北大學,科學技術振興機構(JST)

令和3年5月14日

大阪大學
東北大學
科學技術振興機構(JST)

革新的な極性金屬を発見
電子のスピンと運動がロックした狀態の制御に成功

~基礎研究から新しいデバイス応用へ~

ポイント

大阪大學 大學院理學研究科の酒井 英明 準教授(研究當時:JST さきがけ研究者 兼任)、同大學院生の近藤 雅起さん(博士課程後期)、黒木 和彥 教授、花咲 徳亮 教授らの研究グループは、東北大學 大學院理學研究科の松原 正和準 教授、東京大學 物性研究所の徳永 將史 準教授らの研究グループとの共同研究において、空間反転対稱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狀態を、構成元素を変化させることで制御できる金屬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、空間反転対稱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。この歪みはわずか0.1?1パーセント程度ですが、伝導を擔う電子のスピンと運動量が完全にロックした狀態を実現しています。

空間反転対稱性の破れは、主に強誘電體や圧電體などの絶縁體の物性において、その重要性が知られてきました。一方、空間反転対稱性が破れた金屬も、電子のスピンと運動量のロックに起因する従來にない伝導現象や光學現象が見いだされ、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、多彩なロック狀態を実現することは不可能とされてきました。

今回、本研究グループが見いだした層狀の金屬物質では、スピンと運動量のロック狀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1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狀態が大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。この特性を生かすことで、スピンと運動量のロック狀態の最適化が可能となるため、將來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、英國科學誌「Communications Materials」に、2021年5月14日(金)(日本時間)に公開されます。

本研究は、科學技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業さきがけ(JPMJPR16R2)の一環として行われ、日本學術振興會(JSPS)科學研究費補助金(19H01851,19K21851,19H05173,21H00147,17H04844,21H04649 and 18H04226)と巖谷直治記念財団の助成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>

“Tunable spin-valley coupling in layered polar Dirac metals”
DOI:10.1038/s43246-021-00152-z

<お問い合わせ先>

(英文)“Tunable spin-valley coupling in layered polar Dirac metals”

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