量研,放射線で酸化亜鉛に強磁性が現れる現象を解明

量子科学技術研究開発機構(量研)は,量研が開発した「陽電子ビーム磁性空孔分析技術」を使い,これまでメカニズムが不明であった,磁性を持たない半導体の酸化亜鉛に放射線を照射すると強磁性が現れるという現象は,その原因が,結晶中の亜鉛原子の欠損部分に生じた電子スピンの偏りであることを初めて解明した(ニュースリリース)。

半導体である酸化亜鉛は,鉄などの磁性元素を含んでいないため,通常,磁性を持っていない。しかし,これに放射線を照射すると強磁性体に変化することが知られており,記憶素子等への応用が期待される「強磁性半導体」の材料として注目されている。しかし,そのメカニズムは今まで解明されていなかった。

一般に,磁性の源となるのは電子スピンの偏りであり,放射線によって結晶中にできた空孔(原子が欠けた穴)にそのような電子状態が生じていることが従来から予想されていた。量研では,原子空孔にある電子のスピンを直接検出できる「陽電子ビーム磁性空孔分析技術」を世界に先駆けて開発しており,今回この技術を用いて放射線を照射した酸化亜鉛を調べた。

その結果,電子スピンの偏りが亜鉛原子空孔に存在することを世界で初めて実験的に観測し,強磁性発現のしくみを解明することに成功した。

今回,従来からの理論予測が実証されたこと,またその計測技術が確立されたことで,今後,より強い磁性を持たせる方法や,安定して磁性を維持できる方法,酸化亜鉛以外の物質が強磁性を持つ方法などを見出していく道筋が示された。

この手法は,磁性元素を混合することなく半導体に磁性を持たせる新たな原理による強磁性半導体の開発に役立つことが期待され,ひいては,電子スピンを制御・利用する「スピントロニクス」のデバイスの実現につながるものだとしている。

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