トポロジカル絶縁体を、高速スピン偏極電流源に：高速スピントロニクスへの応用、大きく前進

理化学研究所（理研）の小川直毅ユニットリーダーらによる共同研究グループは、パルス光を照射するだけでスピン偏極電流が発生する磁性トポロジカル絶縁体を発見した。省電力の磁気メモリデバイスや高速磁気情報制御を実現できる可能性を高めた。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

光照射だけで大きなスピン偏極電流を発生

　理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター創発光物性研究ユニットの小川直毅ユニットリーダーらによる共同研究グループは2016年7月、パルス光を照射するだけでスピン偏極電流が発生する磁性トポロジカル絶縁体を発見したと発表した。省電力の磁気メモリデバイスや高速磁気情報制御を実現できる可能性が高まった。

　共同研究は小川氏の他、理研の強相関物性研究グループでグループディレクターを務める十倉好紀氏（東京大学大学院工学系研究科教授）、安田憲司研修生（同研究科博士課程）、強相関界面研究グループの川崎雅司グループディレクター（同研究科教授）、強相関量子伝導研究チームの吉見龍太郎基礎科学特別研究員および東北大学金属材料研究所の塚崎敦教授らによって行われた。

　トポロジカル絶縁体は、磁気を持たない非磁性物質で構成されている。ところが、トポロジカル絶縁体に外部電場を加えるなどして電流を誘起すると、特定方向のスピン密度が増加する「スピン蓄積」という現象が生じる。この現象を活用すると、隣接物質に対してスピン流やスピン偏極電流を注入することが可能となる。しかし、外部電場を加えるとジュール熱が発生し、エネルギーが減少するという課題もあった。

　共同研究グループは、トポロジカル絶縁体表面に存在するディラック電子にパルス光を照射することで、外部電場を加えずに大きなスピン偏極光電流を発生させる方法を研究してきた。ところが、先行研究により、直線偏光の照射によって生じる光電流は、試料内部で打ち消し合い、ほとんど発生しないことが分かっていた。そこで今回は、トポロジカル絶縁体表面の特定のスピン偏極電子の動きを磁性元素で制御し、試料内部で生じる電流の打ち消し合いを抑える方法を開発した。

トポロジカル絶縁体表面のディラック電子状態の模式図。左図は磁性元素や外部磁場のない場合で、左右に流れるスピン偏極光電流が打ち消しあう。右図は磁気バイアスを加えた場合で、電子状態が非対称になって打ち消し合いは弱まる （クリックで拡大） 出典：理化学研究所

　小川氏らはまず、磁性元素であるクロム（Cr）を添加したトポロジカル絶縁体「Cr_0.3（Bi_0.22Sb_0.78）_1.7Te₃」（Bi：ビスマス、Sb：アンチモン、Te：テルル）の薄膜を作製した。薄膜の組成は、光励起された電子の寿命が最大となるように条件を設定した。薄膜上面と下面（基板との界面）の表面電子状態が混ざり合わずに、かつ両面間のバルク体積が最小となるよう膜厚は8nmとした。添加されたCr原子の局在スピンは、低温下で磁気異方性によって表面に垂直方向で整列するため、表面のディラック電子に大きな磁気バイアスが現れるという。

　この薄膜に直線偏光の赤外線パルス光を照射したところ、外部磁場を加えた場合にのみ、大きなパルス光電流を観測することができた。得られた光電流は6μA、電流密度は先行研究時に比べて2桁以上の大きな値を示したという。発生した光電流量は薄膜の磁化に比例し、外部磁場を反転させると電流の方向も反転した。

　共同研究グループは、励起する赤外線パルス光の波長と、それに対する電流量の関係性についても検証した。この結果、光電流は光子エネルギーが約0.25eV（電子ボルト）で、最大値となった。光子エネルギーが0.3eV以上になると、バルク電子状態への光学遷移や表面とバルク状態間での散乱が生じ、光電流は抑制されることが分かった。さらに、8nmの膜厚中でCr濃度に空間勾配を作ったことが、より大きな光電流を発生させることにつながったという。

ゼロ電場光電流の励起波長依存性 （クリックで拡大） 出典：理化学研究所

　今回の研究成果によって、磁性トポロジカル絶縁体が効率的な高速スピン偏極電流源になりうることを示した。スピン偏極光電流を用いた磁化反転などの機能を利用すれば、省電力の磁気メモリデバイスや高速磁気情報制御を実現できる可能性も高いという。