鐵硅化合物中新的拓?fù)浔砻鏍顟B(tài) - -使用普通元素實(shí)現(xiàn)自旋電子學(xué)功能-

1 .發(fā)表要點(diǎn): ◆發(fā)現(xiàn)地球上豐富的由鐵( Fe )和硅( Si )組成的化合物FeSi中出現(xiàn)了強(qiáng)烈的自旋軌道相互作用(注1 )的表面狀態(tài)，利用該表面狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了自旋電子學(xué)功能(注1 )。  

◆闡明了FeSi的表面狀態(tài)特征來源于晶體內(nèi)部電子狀態(tài)的拓?fù)?注2 )，與現(xiàn)代極化理論中使用的幾何學(xué)相位的概念(注3 )相關(guān)。 ◆這有可能成為以往不太被關(guān)注的常見元素化合物中潛藏的拓?fù)湮镄?注2 )電子自旋學(xué)功能的開拓方針，從而確立支撐信息化社會持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 .發(fā)表概要: 通過同時利用電子所具有的電氣性質(zhì)(電荷)和磁性性質(zhì)(自旋、注1 )來電氣操作磁鐵狀態(tài)的技術(shù)，作為推動現(xiàn)代電子學(xué)發(fā)展的要素備受關(guān)注。 特別是近年來發(fā)現(xiàn)的拓?fù)浣^緣體(注4 )，由于其表面狀態(tài)下可以進(jìn)行高效、省電的自旋操作，有望成為有前景的物質(zhì)基礎(chǔ)。 另一方面，以拓?fù)浣^緣體為首的現(xiàn)有候補(bǔ)物質(zhì)需要含有重元素，從材料的觀點(diǎn)來看，在稀少性和毒性方面存在課題。 以東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科的大冢悠介研究生(當(dāng)時)、金澤直也講師、平山元昭特任副教授、理化學(xué)研究所創(chuàng)發(fā)物性科學(xué)研究中心的十倉好紀(jì)中心長等為中心的研究小組，與東北大學(xué)金屬材料研究所的冢崎敦教授、藤原宏平準(zhǔn)教授等研究小組共同， 發(fā)現(xiàn)了地球上豐富的鐵( Fe )和硅( Si )組成的化合物FeSi中的新拓?fù)浔砻鏍顟B(tài)(注2 )，實(shí)現(xiàn)了源于強(qiáng)自旋軌道相互作用的自旋電子學(xué)功能。 另外，與東京大學(xué)物性研究所的中島多朗副教授、綜合科學(xué)研究機(jī)構(gòu)中子科學(xué)中心的花島隆泰研究員、日本原子能研究開發(fā)機(jī)構(gòu)J-PARC中心/高能加速器研究機(jī)構(gòu)的青木裕之特別教授共同，直接觀測了FeSi表面的鐵磁性自旋狀態(tài)(注1 )。 根據(jù)這次的發(fā)現(xiàn)，明確了在稀有元素化合物中開拓的拓?fù)湮镄院妥孕僮鞴δ?，即使是普通元素的化合物也可以?shí)現(xiàn)。 也就是說，在抑制資源制約和環(huán)境負(fù)荷的同時，有可能大幅推進(jìn)電子設(shè)備的省電和高功能化，期待為確立支撐信息化社會持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)做出貢獻(xiàn)。

3 .發(fā)表內(nèi)容: <研究背景> 現(xiàn)代電子學(xué)面臨著半導(dǎo)體集成度的極限和信息處理的能源消耗量急劇增加的課題，不僅是微細(xì)化技術(shù)的提高，半導(dǎo)體設(shè)備的高性能化和新功能賦予也成為了重要的開發(fā)戰(zhàn)略。 其中，利用電子所具有的自旋自由度的自旋電子學(xué)備受期待，物質(zhì)器件的開拓被廣泛研究。 物質(zhì)的表面和界面有時會出現(xiàn)特殊的自旋狀態(tài)，發(fā)揮自旋電子學(xué)功能。 特別是近年來發(fā)現(xiàn)的拓?fù)浣^緣體的表面狀態(tài)，為了能夠進(jìn)行高效、省電的自旋操作，作為使迄今為止培養(yǎng)的半導(dǎo)體自旋電子學(xué)向前發(fā)展的要素備受矚目。 另一方面，拓?fù)浣^緣體等現(xiàn)有物質(zhì)通過重元素所具有的強(qiáng)烈的自旋軌道相互作用，保證了其特征性的自旋狀態(tài)。 但是，從材料的觀點(diǎn)來看，在這些重元素的稀少性和毒性方面有課題。 <研究內(nèi)容> 本研究表明，地球上豐富的由鐵( Fe )和硅( Si )組成的化合物FeSi存在強(qiáng)烈的自旋軌道相互作用的表面狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)了可應(yīng)用于電流感應(yīng)磁化反轉(zhuǎn)等非易失性存儲器中信息記錄技術(shù)的自旋電子學(xué)功能。 圖1是明確了FeSi表面與迄今已知的晶體內(nèi)部的非磁性絕緣體狀態(tài)(不具有磁鐵性質(zhì)不導(dǎo)電的狀態(tài))不同，顯示出強(qiáng)磁性金屬狀態(tài)(具有磁鐵性質(zhì)導(dǎo)電的狀態(tài))的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 在測量FeSi薄膜試料的單位面積電導(dǎo)率和空穴電導(dǎo)率(注5 )時，觀測到了各自來自相對于薄膜厚度不變化的表面強(qiáng)磁性金屬層的貢獻(xiàn)。 另外，使用大強(qiáng)度質(zhì)子加速器設(shè)施( J-PARC )物質(zhì)生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施( MLF，注6 )的極化中子反射率計( BL17，SHARAKU )進(jìn)行的極化中子反射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了鐵磁性狀態(tài)只存在于表面的幾個原子層(約0.3納米)（図２）。計算了表面的電子態(tài)和自旋態(tài)，結(jié)果表明，F(xiàn)eSi表面具有不同于拓?fù)浣^緣體的拓?fù)湫再|(zhì)，從而表現(xiàn)出特征性的表面電子分布和較強(qiáng)的自旋軌道相互作用。 圖3表示計算出的表面電子的波函數(shù)和自旋狀態(tài)。 電子以從原子核的位置稍微浮起的方式分布，表面形成了電偏差(極化)。 由于該表面極化引起了強(qiáng)烈的自旋軌道相互作用，自旋方向和電子的運(yùn)動方向相互關(guān)聯(lián)的狀態(tài)變得穩(wěn)定。 我們發(fā)現(xiàn)，這些表面狀態(tài)的特征來源于晶體內(nèi)部電子狀態(tài)的拓?fù)?，通過Zak相位(注3 )這一現(xiàn)代極化理論中使用的幾何學(xué)相位的概念進(jìn)行描述。 進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，利用這種強(qiáng)烈的自旋軌道相互作用，可以通過電流控制磁化方向。 圖4是表示通過流過電流，F(xiàn)eSi表面的磁化(表示磁鐵的強(qiáng)度和方向的量)上下反轉(zhuǎn)的情況的示意圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 通過霍爾效應(yīng)(注5 )檢測磁化方向，可知通過流過閾值以上的大電流，可以反復(fù)反轉(zhuǎn)磁化方向。 它可以作為對按照磁化方向記錄信息的非易失性存儲器進(jìn)行電氣高速控制的方法來應(yīng)用。 <社會意義今后的安排> 由原子序數(shù)較小的輕元素構(gòu)成的化合物中強(qiáng)烈的自旋-軌道相互作用的表現(xiàn)打破了以往的常識，開拓了使用拓?fù)涓拍畹淖孕娮訉W(xué)物質(zhì)設(shè)計的新模式。 由此，可促進(jìn)作為環(huán)境負(fù)荷小、資源豐富的元素化合物中潛藏的拓?fù)湮镄怨δ艿拈_拓，有望實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的省電化和高功能化。 今后也期待著提高面向在FeSi中發(fā)現(xiàn)的拓?fù)浔砻鏍顟B(tài)的多邊實(shí)驗(yàn)和器件應(yīng)用的自旋電子學(xué)功能。

<研究支援><研究支援> 本研究由日本學(xué)術(shù)振興會( JSPS )科學(xué)研究費(fèi)補(bǔ)助金基礎(chǔ)研究b“基于zak相位控制的表面狀態(tài)設(shè)計和自旋電子學(xué)功能實(shí)現(xiàn)(研究代表者:金澤直也)”( Grant No.JP20H01859 )、該基礎(chǔ)研究b“拓?fù)錈醾鬏數(shù)牡蜏爻上穹止?研究代表者者:豐田新悟)”( No. JP20H01867 )、該新學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究(量子液晶的物性科學(xué))“拓?fù)渥孕壕Э刂坪途薮箅娮由⑸洮F(xiàn)象(研究代表者:金澤直也)”( GrantNo.JP20H05155 )、 科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)( JST )開創(chuàng)性的研究支援事業(yè)FOREST“為新一代計算元件創(chuàng)建技能離子物質(zhì)基礎(chǔ)(研究代表者:金澤直也)”( GrantNo. JPMJFR2038 )、 戰(zhàn)略性創(chuàng)造研究推進(jìn)事業(yè)CREST“利用納米自旋結(jié)構(gòu)的電子量子相位控制(研究代表者:永長直人)”( Grant No. JPMJCR1874 )、在該CREST“拓?fù)浣^緣體異質(zhì)結(jié)量子技術(shù)的基礎(chǔ)創(chuàng)建(研究代表者:川崎雅司)”(GrantNo.JPMJCR16F1 )的支持下進(jìn)行。

4 .發(fā)表雜志: 雜志名稱:《科學(xué)高級》 論文標(biāo)題:自組裝自組裝自組裝自組裝自組裝自組裝流體表面狀態(tài)fesi 作者: Yusuke Ohtsuka，Naoya Kanazawa*，Motoaki Hirayama，Akira Matsui，TakuyaNomoto，Ryotaro Arita，Taro Nakajima，Takaya Su Han HiroyukiAoki，Masataka Mogi，Kohei Fujiwara，Atsushi Tsukazaki，Masakazu Ichikawa，MasashiKawasaki，Yoshinori Tokura DOI編號: 10.1126/sciadv.abj0498

發(fā)表者 大冢悠介(當(dāng)時:東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科物理工學(xué)專業(yè)碩士研究生)金澤直也(東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科物理工學(xué)專業(yè)講師)平山元昭(東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科物理工學(xué)專業(yè)特聘副教授/ 理化學(xué)研究所創(chuàng)發(fā)物性科學(xué)研究中心拓?fù)洳牧显O(shè)計研究單元單元讀取器) 松井彬(東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科物理工學(xué)專業(yè)碩士研究生)野本拓也(東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科物理工學(xué)專業(yè)助教) 有田亮太郎(東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科物理工學(xué)專業(yè)教授/ 理化學(xué)研究所創(chuàng)發(fā)物性科學(xué)研究中心計算物質(zhì)科學(xué)研究小組團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)) 中島多朗(東京大學(xué)物性研究所副教授)花島隆泰(綜合科學(xué)研究機(jī)構(gòu)中子科學(xué)中心研究員) Victor ukle EV ( Paul Scherrer institute博士研究員) 青木裕之(日本原子能研究開發(fā)機(jī)構(gòu)J-PARC中心研究主干/ 高能加速器研究機(jī)構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)科學(xué)研究所特別教授)茂木將孝(當(dāng)時:東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科物理工學(xué)專業(yè)博士生/  目前:技術(shù)博士研究員Massachusetts institute of technology博士)藤原宏平(東北大學(xué)金屬材料研究所副教授)  

冢崎敦(東北大學(xué)金屬材料研究所教授)市川昌和(東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科物理工學(xué)專業(yè)名譽(yù)教授)川崎雅司(東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科物理工學(xué)專業(yè)教授/ 理化學(xué)研究所創(chuàng)發(fā)物性科學(xué)研究中心副中心主任)十倉好紀(jì)(理化學(xué)研究所創(chuàng)發(fā)物性科學(xué)研究中心主任/ 東京大學(xué)國際高等研究所東京學(xué)院卓越教授)  

5 .咨詢處: (有關(guān)研究的事情) 東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科物理工學(xué)專業(yè)講師 金澤直也 03-5841-6840

E-mail : kanazawa[at]ap.t.u-tokyo.ac.jp

理化學(xué)研究所創(chuàng)發(fā)物性科學(xué)研究中心中心主任 東京大學(xué)國際高等研究所東京學(xué)院卓越教授 十倉好紀(jì) (關(guān)于JST事業(yè)的事情) 科技振興機(jī)構(gòu)戰(zhàn)略研究推進(jìn)部綠色創(chuàng)新集團(tuán)

嶋林裕子

 03-3512-3531傳真: 03-3222-2066

E-mail：crest[at]jst.go.jp

(新聞負(fù)責(zé)人) 東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科宣傳室

E-mail：kouhou[at]pr.t.u-tokyo.ac.jp

理化學(xué)研究所宣傳室新聞負(fù)責(zé)人

E-mail：ex-press[at]riken.jp

東京大學(xué)物性研究所宣傳室 04-7136-3207

E-mail：press[at]issp.u-tokyo.ac.jp

綜合科學(xué)研究機(jī)構(gòu)中子科學(xué)中心利用推進(jìn)部宣傳負(fù)責(zé)人 029-219-5310內(nèi)線3709，3705 傳真: 029-219-5311

E-mail：press[at]cross.or.jp

高能加速器研究機(jī)構(gòu)宣傳室  

 029-879-6047

E-mail：press[at]kek.jp

J-PARC中心宣傳部分 029-284-4578

E-mail：pr-section[at]j-parc.jp

東北大學(xué)金屬材料研究所信息企劃室宣傳班 022-215-2144

E-mail：imr-press[at]imr.tohoku.ac.jp

科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)宣傳科 03-5214-8404傳真: 03-5214-8432

E-mail：jstkoho[at]jst.go.jp

７．附件:

圖1 FeSi薄膜的單位面積的電導(dǎo)率( a )和空穴電導(dǎo)率( b )的膜厚依賴性。

  分別與通電的容易度和磁化的大小成正比。 如果物質(zhì)內(nèi)部和表面都是相同的狀態(tài)，則圖表的截距(橫軸為零時的縱軸值)為零。 發(fā)現(xiàn)在FeSi薄膜中，電導(dǎo)率和空穴電導(dǎo)率都顯示出有限的切片(有助于薄膜對厚度不變)，表面存在金屬傳導(dǎo)。 特別是從與磁化成比例的空穴電導(dǎo)率來看，表明了強(qiáng)磁性狀態(tài)在表面共存。

圖2極化中子反射實(shí)驗(yàn)示意圖。 入射使自旋方向與外部磁場平行或反平行一致的中子線時，中子線的反射率會根據(jù)試料深度方向的磁化分布而變化。 

測量改變了自旋方向和入射角度的反射率，通過分析其信號可以觀測磁化的分布。 發(fā)現(xiàn)了在FeSi中，鐵磁性狀態(tài)只存在于紅色所示的表面。

圖3計算出的表面電子波函數(shù)的分布( a )和動量空間中表面帶結(jié)構(gòu)的等能量線和自旋狀態(tài)( b )。 ( a )中的黃色和藍(lán)色的球分別表示Fe和Si的原子位置。 用藍(lán)色描繪的表面電子的波函數(shù)，呈現(xiàn)出了仿佛從表面的Fe原子浮出的分布。 另外，( b )中的箭頭表示自旋的方向，在運(yùn)動量空間中形成螺旋狀的排列。 這些電子狀態(tài)自旋狀態(tài)來源于用Zak相位描述的晶體內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖4 FeSi薄膜的電流感應(yīng)磁化反轉(zhuǎn)的示意圖( a )和實(shí)驗(yàn)結(jié)果( b )。 在如FeSi那樣存在強(qiáng)自旋軌道相互作用的表面，電流會蓄積特定方向的自旋，角動量的傳遞會引起磁化方向反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。 本研究通過霍爾效應(yīng)檢測了磁化方向。 如( b )所示，在正向增加電流脈沖的大小時，在閾值處觀測到了霍爾電阻率的值(磁化方向)從正(向上)變化為負(fù)(向下)的情況。 電流的方向相反(負(fù))時，霍爾電阻率的值(磁化方向)從負(fù)(向下)變化為正(向上)。 這表明可以電氣控制磁鐵的方向，有助于提高非易失性存儲器的功能。