理研ら,トポロジーの異なる絶縁体の磁化を反転

理化学研究所(理研),東京大学,東北大学は,トポロジカル絶縁体と強磁性絶縁体の積層構造において,電流を流すことにより磁化方向が反転することを実証した(ニュースリリース)。

近年,物質の端や表面に特殊な電子構造を持つ「トポロジカル物質」が注目を集めている。その代表的な例であるトポロジカル絶縁体は,物質内部は絶縁体だが,その表面は電気を流す金属的な性質を持っている。

注目すべき特徴として,表面伝導電子の運動方向に対して,そのスピンが必ず垂直方向を向くというスピン運動量ロッキングがある。このトポロジカル絶縁体特有の性質により,電流を流すことで高効率にスピンを生成できるため,スピントロニクス素子への応用が期待されている。

これまでに,強磁性金属層との接合化を通してトポロジカル絶縁体の高いスピン生成能力が明らかにされ,電流を流すことで磁化方向を制御できることが実証されてきた。しかし,これらの実験では金属強磁性層の電気伝導により,流れる電流が表面状態以外に分配されるという難点があった。

そのため,学術的観点では,スピントルク(スピンの回転力)がトポロジカル絶縁体表面状態に由来することの証拠として議論の余地が残されており,応用の観点からも,磁化反転の際に不要な電流が消費されるという問題があった。

今回,共同研究グループは,独自に開発したトポロジカル絶縁体(Bi1-xSbx)2Te3(Bi:ビスマス,Sb:アンチモン,Te:テルル)」と強磁性絶縁体「Cr2Ge2Te6(Cr:クロム,Ge:ゲルマニウム)」の薄膜積層界面において,強い磁気近接効果が生じることに着目した。

薄膜面内に電流を流したところ,界面に生じたスピン蓄積が強磁性絶縁体の磁化にトルクを与え,磁化方向が上下に反転することが分かった。さらに,トポロジカル絶縁体層の組成調整によって,トポロジカル絶縁体と強磁性絶縁体の界面におけるトポロジカル電流が高効率な磁化反転の起源として支配的であることが明らかになった。

この研究成果は,二つの異なるトポロジーを持つ絶縁体界面に流れるトポロジカル電流が,強磁性絶縁体層の磁化に対して高効率にトルク(回転力)を与えることを示すもの。研究グループは,低消費電力スピントロニクス素子への応用が期待できるものとしている。

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