2018 Fiscal Year Annual Research Report

バルクラシュバ半導体の分極反転を利用したスピン電荷変換の極性制御

Research Project

Project/Area Number	17H04846
Research Institution	Institute of Physical and Chemical Research
Principal Investigator	吉見龍太郎国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (40780143)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	電流誘起磁化反転 / マルチフェロイクス / 磁性半導体
Outline of Annual Research Achievements	本研究課題の目的は、磁性元素Mnをドープした極性強磁性半導体(Ge,Mn)Teにおいて、半導体やマルチフェロイクスとしての物性現象を観測し、更に誘電分極反転によるスピントロニクス特性の制御を行うことである。昨年までの研究において、電流誘起磁化反転に成功し、スピントロニクス特性の観測を実現した。実験成果はScience Advance誌に掲載された。更に、誘電分極反転を実現するためには、試料内のキャリヤー数が多く電気抵抗が低いために外部電界が遮蔽されてしまうことが原因であることを見出した。上記の課題を踏まえ、研究二年目の今年は試料成長条件によるキャリヤ制御を試みた。分子線エピタキシーを用いて(Ge,Mn)Te薄膜を成長する際、供給する陰イオンTeと陽イオンGe,Mnの量を調整することで、試料内の欠陥生成を制御でき、最大で正孔キャリヤー濃度を2桁近く変化できることがわかった。しかしながら、最もキャリヤー数を減らした試料でも誘電分極の外部電界による反転は実現できず、引き続き研究が必要である。その際、薄膜の膜厚を更に薄くすることで強電界を印加するなどの工夫が有効である可能性がある。また、誘電分極を有する物質に特有の物性現象として、電流の方向二色性を観測した。Mnをドープした強磁性薄膜とドープしていない非磁性薄膜の比較や、キャリヤ数の異なる試料間の比較によって、方向二色性の由来が(Ge,Mn)Teのラシュバ型スピン偏極バンドと強磁性スピン波励起との相互作用である可能性を指摘した。後者の結果に対して、国際学会で口頭発表を行い、現在論文執筆に向けて詳細な議論と実験データの解析を進めている。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason これまで、本研究の目的の一つであるバルクラシュバ半導体におけるスピン電荷変換を観測し、論文の執筆を行った。その上で、本年度はキャリヤ数の変化や、電気抵抗の方向二色性を観測することに成功したためである。
Strategy for Future Research Activity	前項でも述べた電気抵抗の方向二色性について、より詳細に調べて議論を進める。特に、フェルミ準位依存性や磁場依存性を統一的に説明できる、方向二色性の由来を解明する。