理科大ら,電流で磁石になる半導体を発見

東京理科大学,岡山大学らの研究グループは,単体元素テルル半導体に直流電流を流すと,非磁性体であるテルルに磁性を持たせることに成功した(ニュースリリース)。

近年,物質の磁気的性質を電気的に制御する電気磁気効果に注目が集まっている。この電気磁気効果を起こすことができる物質によって,スピントロニクスなどの次世代技術の発展が期待されている。

しかし,非磁性の半導体における電気磁気効果は,微細加工を施したデバイスや物質の表面でのみ確認されているに留まり,バルク結晶における電気磁気効果の決定的な証拠は見つかっていなかった。

今回,研究グループは単体半導体テルルに電流を流し,電流が流れている間テルルが磁化していることを核磁気共鳴を用いて発見した。単体半導体テルルは、らせん構造からなる特殊な結晶構造を有しており,キラル(カイラル)である特徴を持つ。

さらに,テルルは原子番号が52番目と重い元素であるため,スピン軌道相互作用と呼ばれる,電子の軌道運動と電子のスピンの間の相互作用が強いという特徴がある。

これら二つの性質を持つ物質では,電子が結晶中で動く方向に応じて電子スピンの方向が決まるという性質がある。電流を流さない状態では磁化は生じないが,電流を流すと結晶全体が磁化する。今回,研究グループが観測した電流によって誘起された磁化は,テルルが持つこのような特性に基づくものだと考えられるという。

非磁性半導体におけるバルク電流誘起磁化の発見は,非磁性体におけるバルク電気磁気効果という新しい学術分野の発展へと繋がるものであり,将来的にスピントロニクスなどの次世代情報処理技術,省エネルギー技術の発展へ寄与することが期待される。

また単体半導体という極めて単純な物質においても,今回のような新しい物理現象が見出されたことは,物質科学の持つ底知れない可能性を社会に提示するものだとしている。

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