理研,スピンとバレーの電荷中性流を発見

理化学研究所(理研)は,グラフェンにおける新種の電荷中性流(正味の電荷の流れがゼロであるような電子の運動)を発見した(ニュースリリース)。

最近,「バレー」という電荷中性流の自由度がされている。バレーとは,空間的に広がった電子の波束が結晶中で自転するという描像で解釈される軌道角運動量の一種。バレー流は,スピン流に比べて電流との変換効率が良いことが知られている。

これらの異なる電荷中性流の長所を生かすには,両者を変換する必要がある。しかし,グラフェンはスピン軌道相互作用が小さいことから,スピンとバレーの結合は困難であると考えられてきた。

研究グループは,スピンとバレーの結合原理として,スピン軌道相互作用の代わりに電子相関がもたらす磁性に着目した。グラフェンをはじめとする2次元電子系では、面直に磁場をかけるとランダウ量子化というエネルギー準位の離散化に伴って電子の運動が抑えられ,相対的に電子相関が強くなる。

電子相関が強まると,電子が互いのスピンやバレーといった自由度をそろえようとするために秩序が生じる。2層グラフェンでは,ゼロエネルギーに位置するランダウ準位が半分占有されたときに,層間反強磁性と呼ばれる二つの層のスピンが互いに逆を向いてそろっている状態が実現すると考えられている。

この層間反強磁性状態では,スピンとバレーの両方に依存するホール伝導度が生じることが理論的に指摘されている。研究グループはこのホール伝導度に基づいて,層間反強磁性状態ではスピン依存のバレー流である新たな電荷中性流「スピン・バレー流」が,電流に対して垂直に生成される可能性を提案し,その存在を確認することを試みた。

研究グループで2層グラフェンのホールバー型の試料で実験を行なった結果,2層グラフェン中の電子間相互作用によって自発的に対称性が破れた層間反強磁性状態において発生する,新種の電荷中性流を発見した。

この研究の電荷中性流は,スピンとバレーが組み合わされた流れであると考えられるという。そして層間反強磁性状態にスピン流を注入すれば,それに垂直にバレー流が発生する,またはその逆の現象も発生する,といったスピン流とバレー流の相互変換が可能になるとしている。

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