阪大ら,原子層結晶で電子磁石が現れる機構を解明

大阪大学,物質・材料研究機構,東京大学,米ウイスコンシン-ミルウォーキー大学らの研究グループは,原子層結晶に流れる電子磁石が,原子核周りを運動する電子の軌道に由来することを世界で初めて明らかにした(ニュースリリース)。

原子層結晶に現れる電子磁石は原子核周りの電子の密度の片寄りに由来し,その向きは原子層面と運動方向に対して垂直であると考えられていた。

また,異なる方向を向く電子磁石は,原子層結晶の構造の対称性など,その時々で異なる理由によってこれまでは説明されており,普遍的な理解は得られていなかった。

スピン・角度分解光電子分光測定は物質中の電子の運動と電子磁石の向きに関する有益な情報を与えることができるが,高品質な試料と非常に精度の高い装置の両方が要求されるため,これまで電子バンド,フェルミ面と電子磁石の向きを正確に求めることが困難だった。

研究グループは,これらの問題を解決するために,作製に成功した非常に品質の高い原子層結晶を超高性能の装置を用いて測定した。その結果,ある運動量を持つ電子磁石は従来の電子の密度の片寄りで説明できるが,他の運動量を持つ電子磁石ではこれまで報告されたいかなる理由でも説明できないという結果を得た。

この結果と理論計算によって,全ての電子磁石の向きを電子の軌道運動で説明できたことから,原子層結晶における電子磁石の向きが電子の軌道運動に起因していることを明らかにした。電子磁石の向きと運動の制御は,電子磁石を用いたデバイスの構築に必須であることから,この結果は次世代高機能量子デバイスを設計するために不可欠な情報となる。

今回明らかになった電子の軌道運動に起因した電子磁石の向きは,原子層結晶における電子磁石の動きを理解するための全く新しい機構の提唱という学術的意義がある。

また,研究で用いたインジウム2層からなる原子層結晶が超伝導となることから,応用的にも次世代デバイスとして有力視されているものの,未だ商品化されていない量子デバイスの実現を大きく前進させる意義も併せ持つとしている。

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