阪大ら,電子スピンと運動がロックした状態を制御

大阪大学,東北大学,東京大学は,空間反転対称性の破れた結晶の中で実現する電子のスピンと運動量がロックした状態を,構成元素を変化させることで制御できる金属物質を発見した(ニュースリリース)。

金属や半導体中の電子は,ある特定の運動量を持つ状態のエネルギーが低くなり,電子バレー(谷)を形成している。

通常の系では,このバレー内の電子は上向き,下向き両方のスピンを持つが,空間反転対称性の破れた系では,スピン軌道相互作用という物質中の相対論的効果により,バレー内の電子スピンの向きをすべて揃えることが可能となる。

さらに,スピンの向きはバレーの運動量空間での位置により変化するため,スピンと運動量のロック(スピン・バレー結合)が実現する。

近年,空間反転対称性の破れた二硫化モリブデン単層薄膜やその関連物質では,このスピン・バレー結合に起因した様々な新しい電気伝導や光学応答が見いだされ,注目を集めている。これらの特異な物性のメカニズムには,電子のバレー間の散乱やバレー内の遷移が関与するため,効果の巨大化にはスピンの向きとバレーの配置が重要となる。

しかし既存物質では,バレーの位置は蜂の巣型の結晶構造を反映した配置に限定されていた。このため多彩なスピン・バレー状態は実現できず,物性に合わせた設計や最適化を行うことは困難だった。

研究グループは,ビスマスやアンチモンの二次元伝導層を有するBaMnX2(X=ビスマス,アンチモン)というバルク層状物質において,X元素の二次元ネットワークが正方形からわずかに歪むことで,空間反転対称性が破れた極性状態となることを,放射光X線回折と非線形光学効果の測定により初めて解明した。

さらに,極性を生み出す結晶歪みの大きさがX元素の種類に依存して一桁程度変化(X=ビスマスの結晶歪みは,X=アンチモンの約1/10に減少)する結果,電子のスピン・バレー結合状態も大幅に変化することが明らかとなった。

このことは,50テスラ以上の高磁場下での電気抵抗測定において,電子バレーの状態を反映した量子振動現象の変化を捉えることにより,実験的にも実証された。

もう一つ特筆すべき点は,この物質で電気・熱輸送を担う電子は,相対論的な運動方程式に従うディラック電子と呼ばれる状態であることだという。ディラック電子は非常に高い易動度など,通常の電子では実現できない伝導現象を示す。

研究グループは今後,両特性が共存する特徴を活かした,新奇物性の開拓も期待されるとしている。

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