Origin of ferromagnetism in magnetic topological insulators

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K05242
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 松倉 文礼 東北大学, 国際集積エレクトロニクス研究開発センター, 教授 (50261574)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 磁性トポロジカル絶縁体 / キャリア誘起強磁性 / RKKY相互作用 / Bloembergen-Rowland機構 / 超交換相互作用

Outline of Annual Research Achievements

遷移金属元素Crをドープしたテトラジマイト構造を持つトポロジカル絶縁体(Bi,Sb)2Te3の磁性に関する基礎研究を進めている。未だ明らかになっていない強磁性発現機構を明らかにすることを目的とし、本研究の遂行により磁性トポロジカル絶縁体材料とそれを用いた素子の設計指針が明らかになることを期待している。実験的にはこれまでに、CrをドープしたSb2Te3を作製し、Crドープ量の増加につれて正孔濃度の増加とキュリー温度の増加を確認している。
これ迄に、有効ハミルトニアンを用いたバンド計算により、平均場近似に基づくキャリア誘起機構(RKKY機構)の強磁性の可能性を検討した。計算結果は実験結果を定性的に説明するが、キュリー温度の定量的記述には、計算された価電子帯構造より大きな状態密度あるいは期待されるものより大きな磁性スピンとキャリア間の交換相互作用を必要とすることが示された。このことは、キャリア誘起以外の機構(Bloembergen-Rowland機構、超交換相互作用)も強磁性の発現に寄与する可能性を示唆している。
そのため、フェルミ準位位置を調整するためにBiを30%程度導入した試料を作製してその性質を調べた。Biを導入した試料に比して、抵抗率が一桁以上増加するにも関わらず、キュリー温度の低下率は数割であり、このこともキャリア誘起機構以外の機構の存在を示唆する。また、キュリー温度以下で急激に抵抗率が数割減少することから、磁性スピンとキャリアの相互作用によるスピン依存散乱が抑制されているか、あるいは強磁性の発現によるバンド変化でバルク伝導が顕著になっているものと推察される。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これ迄に、実績の概要に示したような結果を得ており、研究は順調に進められている。当初の目的である強磁性発現機構の解明は、実験結果からある程度まで推察できているが、現段階ではモデルとの比較について未だ不十分である。

Strategy for Future Research Activity

強磁性発現機構の解明は、実験結果からある程度まで推察できているが、定量性のある機構の切り分けについては、より詳細な解析が必要であり、この点の検討を継続する。
また、研究協力者との議論をより密にし、詳細に解析を進めることで、磁性トポロジカル絶縁体のギャップ形成と強磁性との相関についても検討する。

Causes of Carryover

コロナ禍により実験は最小限に留め、既存の試料で測定を行った。同様の理由で、学会参加はオンラインのものしかできなかった。そのため、計算に必要なソフトの購入が主な支出となった。最終年度は、実験に必要な物品・消耗品の購入を計画的に行う予定である。