2015 Fiscal Year Annual Research Report
特徴的なスピン構造とスピン軌道相互作用を持った酸化物薄膜の作製と新奇量子相の探索
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14J10112
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
藤田 貴啓 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 薄膜・ヘテロ界面 / トポロジカル物質 / パイロクロア方酸化物 / イリジウム / 反強磁性体 / 新奇電子相 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、希土類元素(Ln)とIrを含むパイロクロア型酸化物Ln2Ir2O7薄膜における、磁気ドメイン構造及び磁気ドメイン壁状態に関する研究を行った。本系は、Ir原子由来の強いスピン軌道相互作用と、結晶構造由来の幾何学的制約により、「all-in-all-out」と呼ばれる特異な磁気構造を生じる。本系では2種類のトポロジカル電子相の発現が予見されており、一つ目は「Weyl Semimetal相」と呼ばれるバルク内に生じる3次元的な線形分散を持つ状態。もう一つはall-in-all-out構造に存在する2種類の磁気ドメインの磁気ドメイン壁に現れる金属的伝導状態である。
まず、Eu2Ir2O7における磁気ドメインサイズを、磁気輸送測定から見積もった。電子線リソグラフィー技術を用いて作製した微小チャネル内に自発的に形成される磁気ドメイン分布由来の線形磁気抵抗を観測した。測定結果をモデル計算と比較し、ドメインの平均サイズが1-2 マイクロメートル程度であることを明らかにした。
次に、薄膜の結晶歪がそのドメイン形成に及ぼす影響を調べた。基板結晶との格子不整合の大きさの違いにより、エピタキシャル成長したEu2Ir2O7は圧縮歪、Y2Ir2O7は引張歪を受ける。all-in-all-out磁気秩序では、この歪に応じて反対向きの磁化を生じるため、冷却磁場で安定化される磁気ドメインが変化すると予想された。Eu2Ir2O7とY2Ir2O7では同一の冷却磁場に対して、反対のドメインが形成されていることを示唆する実験結果を得、結晶歪と冷却磁場に対して安定化される磁気ドメインの相図を解析的に作成し、実験結果を定性的に再現することに成功した。
これらの成果は、今後Ln2Ir2O7薄膜・ヘテロ界面と、その磁気ドメイン構造を利用した素子構造を構築する上で、本質的に重要となると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
パイロクロア型酸化物Ln2Ir2O7のトポロジカル電子相の発現にはall-in-all-out磁気秩序がもたらす時間反転対象性の破れが鍵となる。従って、その磁気ドメイン構造を制御することは将来の工学的応用に対して必須の条件となる。本年度の磁気ドメインサイズおよび格子歪に関する研究は、ドメイン構造の安定性に関して本質的な知見を与えるものである。
また、昨年度に報告したヘテロ界面に誘起される単一磁気ドメイン壁状態に関しても、進展が見られた。磁気ドメインが冷却磁場で固定される層と、磁気ドメインを掃引磁場でスイッチ可能な層で積層構造を作製することで、ヘテロ界面に生じる金属伝導層を掃引磁場によって制御することが可能となる。Eu2Ir2O7とTb2Ir2O7とのヘテロ界面を作製し、磁場冷却後の磁気抵抗を測定することで、両層の磁気ドメインが異なる場合に伝導度の向上が見られ、理論的に予想されている界面伝導の観測と外部磁場による制御に成功した。さらに、界面構造を変化させることで、界面伝導度の基底状態を制御できることが明らかになりつつある。
以上のことから、本研究は当初の予定以上の進展を見せていると判断するものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
ヘテロ界面に誘起される単一磁気ドメイン壁状態に関する研究をさらに発展させていきたいと考えている。ヘテロ界面に誘起されるドメイン壁の高い制御性を生かし、磁気ドメインが試料中にランダムに生成してしまうバルク結晶試料では成し得ない、以下のような展望を考えている。第一に、界面状態のHall伝導度の観測である。界面状態は巨大な異常Hall効果を示すことが理論的に示唆されており、光学伝導度の測定や、Hall-bar形状に加工した試料の電気輸送測定によって、これが検証可能である。第二に、スピン輸送特性の評価であり、スピン偏極したFermi面とトポロジカル性に起因するスピン・運動量ロッキングを利用した、長いスピン拡散長が期待できる。第三に、界面伝導度の電子相を制御して、新奇な電子相の発現を目指すことである。ドメイン壁はスピン偏極した二次元状態であると考えられるので、量子化異常Hall効果のような量子輸送特性の観測につながることを期待している。
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