東京大學,東北大學,科學技術振興機構(JST)

令和3年7月7日

東京大學
東北大學
科學技術振興機構(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

東京大學 大學院工學系研究科のLe Duc Anh 助教、小林 正起 準教授、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、巖佐 義宏 教授グループ、東京大學 物性研究所の福島 鉄也 特任準教授、東北大學 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)半導體結晶中に鉄(Fe)原子をほぼ1原子層の平面內に配列した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正四面體結合からなる結晶構造は、その結合の分布(密度と形狀)によって高溫超伝導から高溫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體であり、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體の中にFe-As正四面體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溫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、超格子構造全體が強磁性狀態となり、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溫度(強磁性を示す溫度の上限であるキュリー溫度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、半導體ナノ構造中の磁性元素分布を原子レベルで制御し、將來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(英國夏時間)に科學誌「Nature Communications」に掲載されます。

本研究は、科學研究費補助金、科學技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「強磁性半導體を用いたトポロジカル超伝導狀態の実現」(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)、スピントロニクス學術研究基盤と連攜ネットワーク(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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