51探花

【本学研究者情报】

〇本学代表者所属?职?氏名：大学院理学研究科?准教授?松原　正和

【発表のポイント】

• 构成元素の置き换えにより、スピンと运动量がロックした电子状态を制御できる金属を発见
• 通常の金属では、电子のスピンと运动量は无関係であるが、极性を持つ特殊な金属では、电子の运动方向に依存してスピンの向きが决まるロック状态が実现する
• 従来物质ではロック状态の制御は困难であったが、今回の物质では微小な结晶歪みを変化させることによりその制御が可能に
• 高速动作可能な相対论的电子でロック状态を実现できているため、革新的デバイス応用に期待

【概要】

大阪大学大学院理学研究科の酒井英明准教授（研究当时：ＪＳＴさきがけ研究者兼任）、同大学院生の近藤雅起さん（博士课程后期）、黒木和彦教授、花咲徳亮教授らの研究グループは、东北大学大学院理学研究科の松原正和准教授、东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おいて、空间反転対称性^※1の破れた结晶の中で実现する电子のスピンと运动量がロックした状态を、构成元素を変化させることで制御できる金属物质を発见しました。この物质は、ビスマスやアンチモンの二次元伝导层とマンガンなどからなる絶縁层が积层した物质で、二次元伝导层が正方形からジグザグ构造にわずかに歪むことで、空间反転対称性の破れた极性构造^※2となることが実験的に明らかになりました（図1补,产,肠）。この歪みはわずか0.1?1%程度ですが、伝导を担う电子のスピンと运动量が完全にロックした状态を実现しています（図1诲）。

空间反転対称性の破れは、主に强诱电体や圧电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、空间反転対称性が破れた金属も、电子のスピンと运动量のロックに起因する従来にない伝导现象や光学现象が见いだされ、近年注目を集めています。これまで、二硫化モリブデン単层薄膜などが典型物质として知られていましたが、ロックされるスピンと运动量の関係は、その特殊な结晶构造で决まっており、多彩なロック状态を実现することは不可能とされてきました。

今回、本研究グループが见いだした层状の金属物质では、スピンと运动量のロック状态が微小な结晶歪みにより実现されているため、人工的に制御することができます。実际、构成元素の一つであるアンチモンをビスマスで置き换えた结果、歪みが约1/10に减少し、スピンと运动量のロック状态が大幅に変化することを理论と実験の両面から解明しました。この特性を活かすことで、スピンと运动量のロック状态の最适化が可能となるため、将来のデバイス応用に有用な物质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。

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。

【用语解説】

※1　空间反転対称性
原子の位置座标の符号を変化させる操作を施して、元の结晶构造と一致しない场合、空间反転対称性が破れている、と言います。

※2　极性构造
电気的な分极を有する构造のこと。絶縁体としては、强诱电体が极性构造を持つ典型例です。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

东北大学大学院理学研究科
広报?アウトリーチ支援室
罢贰尝：022-795-6708
E-mail: sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）