新しい磁性半導体の開発に成功
発表者
- 前川 禎通（日本原子力研究開発機構先端基礎研究センター長）
- 内田 慎一（東京大学大学院理学系研究科物理学専攻 教授）
- 髭本 亘（日本原子力研究開発機構先端基礎研究センター研究主幹）
- 伊藤 孝（日本原子力研究開発機構先端基礎研究センター研究員）
概要
中国科学院 靳常青 教授、米国コロンビア大学植村泰朋教授、日本原子力研究開発機構（以下「原子力機構」）先端基礎研究センター前川禎通センター長、及び東京大学大学院理学系研究科内田慎一教授 等の国際協同研究グループは、新しい磁性半導体であるLi(Zn,Mn)Asの開発に成功しました。 この物質は従来の磁性半導体とは異なり磁気的性質と電気的性質を独立に制御でき、また将来の物質開発によりp型とn型の両方の性質を取り得ると予想されることから、磁性半導体によるp-n接合（注1）への道を拓く可能性があり、スピントロニクスの応用領域を大きく広げることが期待されます。
従来のエレクトロニクスは、主として電子の持つ電気的性質のみを利用しています。 一方で、電子は磁気（スピン（注2））も持っているため、磁気を利用したエレクトロニクスが次世代のエレクトロニクスとして、期待されています。 これがスピントロニクス（注3）で、その材料が半導体に磁気を持たせた、磁性半導体と呼ばれるものです。 しかし、これまでは磁気的性質と電気的性質を独立に変えることができる材料がなく、電子回路に不可欠なp-n接合などの素子が作れませんでした。
本研究では、リチウムとマンガンの含有量を少しずつ変えた試料を作成し、それらの試料特性を詳しく調べた結果、リチウムが過剰な場合においてLi(Zn,Mn)Asに強磁性（注4）が発現してｐ型半導体（注5）となることを見出しました。 また、今回開発された材料が均一な磁性を示すことを、ミュオンスピン緩和測定により明らかにし、スピンを効率よく操作できることが分かりました。 これらはLi(Zn,Mn)Asがスピントロニクス材料として極めて有望であることを示しています。
また、高い超伝導転移温度を示す鉄系超伝導体と結晶構造が類似しており、これと組み合わせることで超伝導トンネル素子も可能となるなど、様々な応用にもつながる成果です。
詳細について原子力機構のホームページをご覧ください。
用語解説
- 注1 p-n接合
- p型半導体とn型半導体を接合させることにより整流機能等の有用な機能が発現する。ダイオードやトランジスタ等の半導体素子に広く応用されている。↑
- 注2 スピン
- 電子がもつ自転のような性質で、電子スピンは磁気（微小な磁石）を帯びている。スピンには上向きスピンと下向きスピンの二つの状態がある。↑
- 注3 スピントロニクス
- 従来のエレクトロニクスは電荷の情報のみを利用していたが、電子のスピンの持つ情報を積極的に利用することで、従来のエレクトロニクスを超える機能を持ったデバイスの創出を目指す新しいエレクトロニクスのこと。↑
- 注4 強磁性
- 磁性元素のスピンの向きが同じ方向にそろった状態のこと。↑
- 注5 p型半導体
- 電荷の担い手が正孔（ホール）という、正の電荷であるような半導体。正孔が移動することで電流が流れる。↑