広報活動

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2017年3月16日

理化学研究所
東京大学
マックスプランク微細構造物理学研究所
東北大学金属材料研究所

高品質な酸化亜鉛が磁性伝導電子を持つことを発見

-半導体における磁性と高速制御の両立へ道-

伝導電子が磁性元素や結晶欠陥(欠陥)によって軌道が曲げられる様子の概念図

図 伝導電子が磁性元素や結晶欠陥(欠陥)によって軌道が曲げられる様子の概念図

半導体は外部の電圧を制御することで、電気が流れる状態と流れない状態を高速に変換することができます。トランジスタと呼ばれるこの素子を複数組み合わせることで、情報を蓄積するメモリを構成することができます。しかし、トランジスタから構成されるメモリは電源を切ると情報が失われる性質(揮発性)を示すため、長期にデータ蓄積するには、動作速度の遅い磁気ディスクやフラッシュメモリに情報を転送する必要があります。そこで、半導体を流れる電子自体に、電源を切っても保たれる磁性を持たせた「磁性半導体」による、不揮発かつ高速なメモリの作製が提案されました。

これまでは、非磁性半導体であるシリコンや砒化ガリウムに磁性元素を少量混ぜることで磁性半導体が作られてきました。しかし、混ぜられた磁性元素は電子を頻繁に散乱するため、電子の移動速度が通常の半導体と比べて大きく低下します。これは半導体のメリットである高速な電気的制御を阻害するため、半導体の特徴を生かした高速デバイスの作製が困難となります。

そこで理研を中心とする共同研究グループは、非磁性の酸化物半導体である「酸化亜鉛」を母体として、半導体中を移動する電子(伝導電子)に磁性を持たせることに着目しました。今回、国際共同研究グループは磁性元素を混ぜることなく、電子同士の反発のみを利用して非磁性半導体の酸化亜鉛の伝導電子に磁性を持たせることができることを発見しました。まず、酸化亜鉛を流れる伝導電子の特性を磁場中で詳しく調べたところ、伝導電子が磁性を持つときに特徴的に生じる「異常ホール効果」を観測しました。異常ホール効果とは、伝導電子が磁性を持つ物質では、電子の磁石の性質のみで電子の軌道が曲げられる結果、電流に対して垂直方向に電圧が生じることです。さらに、理論的解析の結果、酸化亜鉛中に存在する少量の結晶欠陥(欠陥)が小さな磁石として働き、伝導電子に磁性を持たせていることが明らかになりました(図参照)。結晶では原子は規則正しく配列していますが、何らかの原因により原子があるべき場所から抜けたり、二つの原子が入れ替わることがあり、これを欠陥と呼びます。

本成果は、従来の半導体では困難であった磁性と高速制御の両立という問題に対して解決の手掛かりを与えると考えられます。今後、動作温度の向上やデバイス化を進めることで、低消費電力デバイスへの応用が期待できます。

理化学研究所
創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関界面研究グループ
研究員 デニス・マリエンコ (Denis Maryenko)
グループディレクター 川﨑 雅司 (かわさき まさし)
(東京大学大学院工学系研究科 教授)

創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関理論研究グループ
上級研究員 アンドレイ・ミシェンコ (Andrey Mishchenko)
グループディレクター 永長 直人 (ながおさ なおと)
(東京大学大学院工学系研究科 教授)

創発物性科学研究センター 統合物性科学研究プログラム 創発計算物理研究ユニット
ユニットリーダー サイード・バハラミー (Saeed Bahramy)
(東京大学大学院工学系研究科 特任講師)