広報活動

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2017年12月8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

磁壁におけるトポロジカル電流を観測

-省エネルギースピントロニクスデバイスの基礎原理を実証-

試料端と磁壁に生じるトポロジカル電流の図

図 試料端と磁壁に生じるトポロジカル電流

N極(赤色)、S極(青色)の磁区の境界の磁壁で一方向にのみ流れるトポロジカル電流が生じる。

内部は電流が流れない絶縁体なのに、表面ではトポロジー(位相幾何学)で守られた金属状態を示す物質を「トポロジカル絶縁体」といいます。この物質に、例えばクロム(Cr)のような磁性元素を添加した「磁性トポロジカル絶縁体」では、磁化(磁気を帯びること)が発生し、それに伴って試料の端っこに一方向にだけ流れる「トポロジカル電流」が発生します。

このとき、磁区(N極・S極の領域)の境目である「磁壁」でも、トポロジカル電流が生じることが理論的に予言されていました(図参照)。この電流は向きや位置を制御できるため、低消費電力素子への展開が期待されます。しかし、磁区を作ることが難しく、磁壁におけるトポロジカル電流はこれまで観測されていませんでした。

磁気力顕微鏡では、磁石で覆われた探針で物質表面をなぞることで磁区構造を可視化できます。この磁気力顕微鏡を用いて、今回、理研を中心とした共同研究グループは磁性トポロジカル絶縁体上に任意の磁区を書き込む手法を新たに確立しました。磁区形成後の素子に対して電気伝導測定を行ったところ、単一磁区の状態とは異なる特徴的な量子化した抵抗と磁壁でのトポロジカル電流の存在を初めて確認しました。さらに、一つの素子内にさまざまな磁区構造を形成すると、トポロジカル電流の流れおよび量子化抵抗を自在に制御できました。

本研究により、トポロジカル電流を用いた新しいスピントロニクスデバイスの基礎原理が実証されました。今後、電流での磁壁駆動による次世代磁気メモリの構築などが期待できます。

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 強相関物性研究グループ
研修生 安田 憲司 (やすだ けんじ)
(東京大学大学院工学系研究科 博士課程2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)

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 動的創発物性研究ユニット
ユニットリーダー 賀川 史敬 (かがわ ふみたか)
(東京大学大学院工学系研究科 准教授)