広報活動

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2017年10月7日

理化学研究所
東京大学
東北大学金属材料研究所
科学技術振興機構

トポロジーの変化に伴う巨大磁気抵抗効果を発見

-非散逸電流のスイッチング原理を確立-

積層薄膜のホール伝導度と二端子抵抗の外部磁場依存性の図

図 積層薄膜のホール伝導度と二端子抵抗の外部磁場依存性

「トポロジカル絶縁体」は、内部は絶縁体であるのに対して、表面ではトポロジー(位相幾何学)で守られた金属状態が存在しています。近年、磁性元素を添加したトポロジカル絶縁体で生じる「量子異常ホール効果」状態では、試料の端や磁壁(N極・S極の境目)に沿ってエネルギー散逸のない端電流が流れることから注目を集めています。端電流を小さな外部刺激によって自由に制御できれば、トポロジカル電流の応用の幅が大きく広がることにつながります。

今回、理研を中心とした共同研究グループは、磁性元素V(バナジウム)やCr(クロム)を添加したトポロジカル絶縁体「(Bi1-ySby)2Te3(Bi:ビスマス、Sb:アンチモン、Te:テルル)」薄膜を開発しました。薄膜の上部にV、下部にCrを選択的に添加することにより、磁性/非磁性/磁性の三層構造を形成しました(図A)。薄膜の両端に電極を付けるよう加工し(図B)、電気抵抗を測定しました(図C)。二つの磁性相の保磁力(磁化反転に必要な外部磁場の大きさ)の差を利用すると、互いの磁化方向が平行・反平行と変化します。磁化方向を平行から反平行に変化させたところ、電気抵抗値が10万倍大きくなる“非常に巨大な磁気抵抗効果”が観測されました(図D)。これを磁気抵抗比に換算すると1,000万%を超えます。

この結果は、量子異常ホール効果のトポロジー変化を引き起こし、電流を流したり遮断したりする、非散逸電流のスイッチング原理の確立を意味しています。さらに、この高抵抗状態は理論的に予測されている「アクシオン絶縁体」と呼ばれる量子化された電気磁気効果の発現に相当します。

本成果は、トポロジカル絶縁体の学術的理解を深めるとともに、今後、観測温度の高温化や、超伝導体や強磁性体など多彩な物質との高品質なヘテロ構造化を実現することで、エネルギー消費の少ないエレクトロニクス素子や量子コンピューティングへの応用につながると期待できます。

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 強相関物性研究グループ
研修生 茂木 将孝 (もぎ まさたか)
(東京大学大学院工学系研究科 博士課程1年)
グループディレクター 十倉 好紀 (とくら よしのり)
(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 強相関界面研究グループ
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、科学技術振興機構CREST研究代表者)

創発物性科学研究センター 強相関物理部門 強相関量子伝導研究チーム
専任研究員 川村 稔 (かわむら みのる)