広報活動

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2012年8月20日

独立行政法人理化学研究所
国立大学法人東京大学

低消費電力デバイスに向けた新材料を開発

-新しい原理「量子異常ホール効果」の可能性-

量子ホール効果(左)と量子異常ホール効果(右)の模式図

電力需要の急増が招く地球温暖化やエネルギー資源枯渇の問題を避けるため、電子機器の省エネ化が叫ばれ、超低消費電力デバイスの実現を目指した材料の開発競争が繰り広げられています。

エネルギー損失がない電気の輸送法として「量子ホール効果」が注目されています。量子ホール効果は、特殊な半導体を強い磁場に置くと、その半導体の端にエネルギー損失を伴わずに電気が流れる現象です。この現象を利用すれば電子デバイスの大幅な省エネ化がはかれる可能性があります。しかし、この現象を発現させるには、地磁気の20万倍にもあたる10テスラ以上の強い磁場が必要なのです。従って実用化のためには、磁場のない状態でも同様な現象を実現できる新しい原理の確立と、内部に強い磁場をもつ材料を開発する必要があります。

理研基幹研究所と東大の研究者が着目した材料は「トポロジカル絶縁体」でした。これに磁石の性質もたせるためマンガンを添加した「磁性トポロジカル絶縁体」を開発しました。その試料から薄膜微小単結晶を作り電界効果トランジスタ(FET)を作製して、表面の動きを詳しく調べました。

その結果、電子数を減少させると磁性トポロジカル絶縁体の表面が磁石の性質をもつことを発見しました。さらに電子の数を増やしていくと、磁石になる温度が低下することも分かりました。これは、従来の半導体型磁石とは全く逆の傾向で、トポロジカル絶縁体表面にある質量ゼロに振る舞う電子を考えることによって初めて説明できます。また、磁性トポロジカル絶縁体の中の磁壁が、電流を運んでいると考えられる現象も発見されました。これらはゼロ磁場においてエネルギー損失することなく電流を流す現象(量子異常ホール効果)の可能性を示唆します。今後、量子異常ホール効果の検証を進めるとともに、物質設計によって室温で磁性を発現できる材料の開発が求められます。これらが実現すると、超低消費電力エレクトロニクスが大きく前進することが期待できます。

理化学研究所
基幹研究所 強相関量子科学研究グループ
客員研究員 Joseph G. Checkelsky(チェケルスキー ジョセフ)
(東京大学大学院工学系研究科 量子相エレクトロニクス研究センター 特任講師)

独立行政法人理化学研究所
基幹研究所 強相関複合材料研究チーム
チームリーダー 岩佐 義宏(いわさ よしひろ)
(東京大学大学院工学系研究科 量子相エレクトロニクス研究センター 教授)