理研,スピン軌道相互作用と電子相関の共存を実証

理化学研究所(理研)と東京大学は,高品質の酸化亜鉛においてスピン軌道相互作用効果と強いクーロン相互作用(電子相関)が共存することを実証した(ニュースリリース)。

半導体中の電子のスピンを電気的に制御するためには,電子のスピン角運動量と軌道角運動量の結合であるスピン軌道相互作用が不可欠となる。一方,半導体中の電子には一般的にクーロン相互作用(電子相関)が働いている。また強いクーロン相互作用が働く電子系では,スピンが一方向にそろった強磁性が発現する場合もある。

これまでのスピン軌道相互作用に関する実験研究では,クーロン相互作用が比較的弱く,電子が互いに独立して運動していると考えられる場合に注力して研究が行なわれてきた。しかし,スピン軌道相互作用とクーロン相互作用は半導体中で共存でき,しかもそれぞれがスピンに与える影響が異なる。このため,二つの相互作用が競合して,新しい電子状態を引き起こす可能性が理論的に議論されている。

そこで研究グループは,酸化物半導体である酸化亜鉛中を運動する電子(伝導電子)のスピン軌道相互作用に着目した。理研では高品質な酸化亜鉛の単結晶薄膜を作製する技術を開発しているが,こうした高品質の酸化亜鉛では,電子は従来の半導体に比べて電子同士の反発が強いことが分かっていることから,スピン軌道相互作用と強いクーロン相互作用の共存・競合が観測できる可能性がある。

研究では,酸化亜鉛の伝導電子の振る舞いを詳しく調べることで伝導電子がスピン軌道相互作用を持つことを示し,その発現機構を特定することを目的とした。実験では電子にスピン軌道相互作用効果が働くことを電気伝導測定によって明らかにした。さらに,酸化亜鉛中の電子濃度を変化させることで,スピン軌道相互作用の大きさを制御できることを見いだした。

この研究成果によって,従来の半導体では観測が困難であったスピン軌道相互作用とクーロン相互作用の共存が示された。二つの相互作用の競合は,特異なスピン構造持った新しい電子相の創出につながる可能性があるという。

研究グループは,こうした強い電子相関によって実現される電子相では,巨大な非線形スピン応答が発現する可能性があり,スピントロニクス技術の高性能化といった新たな展開が期待できるとしている。

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