Fermiology and controlling magnetic topological state in artificial superlattice thin films

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K13499
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 宮崎 秀俊 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10548960)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: トポロジカル絶縁体 / Sm酸化物 / エピタキシャル成長 / 薄膜

Outline of Annual Research Achievements

これからの超省エネルギー社会を実現するためには、エネルギー損失が無い電力の輸送方式の開発及びデバイスの省エネ化が必要不可欠であり、「超電導」や「量子異常ホール効果」を利用した技術開発が近年、急速に進んでいる。量子ホール効果とは、1980年代に発見された原理で、特殊な半導体を非常に強い磁場中に置いた際に、エネルギー損失無く電流が流れるという現象である。しかし、その実現には10テスラ以上の高磁場とヘリウム温度程度の極低温が必要であり、デバイスへの適応は困難であった。近年、SmO / EuO人工超格子多層膜において3次元的な磁性トポロジカル状態が実現する可能性がバンド計算によって示され、異常量子ホール効果が発現する可能性があることが提言された。しかしながら、Sm酸化物は通常、[Sm3+]2[O2-]3の化学状態が[Sm2+] [O2-]の化学状態よりも熱力学的に安定のため、SmOの作製は不可能であると考えられており、世界中のどの研究者もこの物質の合成には成功していないのが現状である。
これまでに類似物質EuO薄膜において1原子層レベルでコントロールしたエピタキシャル成膜技術の確立、強磁性機能の発現メカニズムを明らかにするための電子状態の解明に関する研究を行い、その経験・知識を活かしすことにより、SmO単結晶薄膜の成膜条件の探索を行った。その結果、特定の基板における格子応力を利用するとともに、成膜温度、酸素分圧を精密に調整した結果、X線回折およびレーザーラマン分光測定により、SmO (111)エピタキシャル薄膜の成膜が示唆される実験結果を得ることに成功した。