2020/12/04

半導体が磁石にもなるとき何が起こるのか?

-エレクトロニクスから次世代スピントロニクス社会実現への一歩-

 

日本原子力研究開発機構

物質科学研究センター

東京大学大学院工学系研究科

東京大学大学院理学系研究科

東京工業大学

京都産業大学

 

概要

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(理事長 児玉敏雄、以下「原子力機構」という。)物質科学研究センターの竹田幸治研究主幹、東京大学大学院工学系研究科の大矢忍准教授、Pham Nam Hai准教授(現:東京工業大学工学院)、小林正起准教授、田中雅明教授、東京大学大学院理学系研究科の藤森淳教授(現:名誉教授)らの研究グループは、東京工業大学、京都産業大学との共同研究で、強磁性半導体が常磁性状態から強磁性状態に変化していく過程を詳細に観察することで、原子レベルでの強磁性発現メカニズムを明らかにすることに成功しました。

次世代情報化社会に欠くことができないスピントロニクス技術の材料として、強磁性半導体が注目されています。スピントロニクスとは、エレクトロニクス材料にさらに磁石の性質(スピン)を付け加えることで、扱える情報量を飛躍的に増大する次世代技術であり、世界中でしのぎを削ってその研究開発が進められています。強磁性半導体の最大の課題は、低温でのみ強磁性が発現することであり、発現温度の高温化のためには強磁性発現のメカニズムについての正確な理解が切望されています。

本研究では、大型放射光施設SPring-8の原子力機構専用ビームラインBL23SUを利用して、強磁性半導体の代表的な物質のひとつである(Ga,Mn)As 中のMn原子の磁性情報だけを抜き出し、温度の降下とともにMn原子が常磁性状態から強磁性状態に変化していく過程を詳細に観察することで、原子レベルでの強磁性発現メカニズムを明らかにすることに成功しました。

本研究で明らかにされた原子レベルでの強磁性発現メカニズムについての知見は強磁性半導体の性能向上への鍵となります。これは新規強磁性半導体の物質設計へのベースとなる研究結果であり、既に極低温では実証されているスピントランジスタなどをはじめとした次世代スピントロニクスデバイスの室温動作実現に向けた指針を与えるものです。

図1 Mn 4%の(Ga,Mn)AsのXMCDの温度・磁場依存性。●は実験結果で実線は解析結果を示しています。挿入図はTc直下の温度での磁性成分の分離の様子を表しており、3つの磁性成分(強磁性成分:FM, 常磁性成分:Linear, 超常磁性成分:SPM)を足し合わせたものが実線の解析結果(フィッティング)となります。

 

本研究成果は、米国応用物理学会誌「Journal of Applied Physics」のオンライン版に12月4日(日本時間)に掲載され、掲載号の表紙に選ばれるとともにFeatured Articleとして解説記事と併せて公開されました。

 

詳細については、原子力機構 のホームページをご覧ください。

 

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―

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