2022 Fiscal Year Annual Research Report
トポロジカル結晶絶縁体における電流-スピン流変換現象の評価と磁化反転応用
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21J23063
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
西嶋 泰樹 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | トポロジカル結晶絶縁体 / 非線形ホール効果 / ベリー曲率ダイポール / 強誘電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
トポロジカル結晶絶縁体材料であるPbSnTeにおける、非線形ホール効果の観測とその制御に成功した。トポロジカル結晶絶縁体とは表面状態が結晶対称性により現れる材料である。PbSnTeはトポロジカル結晶絶縁体と同時に強誘電性を有する物質でもある。強誘電性の分極を制御することで結晶対称性に起因するトポロジカル表面状態を制御した。具体的にはベリー曲率ダイポールという近年提案された物理量がPbSnTeで存在することを非線形ホール効果を介して確認し、電界による分極の制御によりベリー曲率ダイポールの向きをスイッチングした。ベリー曲率ダイポールのスイッチングはこれまでゲート電界などによる外場で制御した報告があったが、本研究でのスイッチングは材料固有の分極による制御であり、不揮発にスイッチングした状態を保てる点に特徴がある。加えて、このベリー曲率ダイポールの不揮発性スイッチング効果を室温でも観測している。5Kで測定されたベリー曲率ダイポールの大きさは160nmであり、これはこれまでWTe2やMoS2で観測された値より1桁以上大きな値を示した。トポロジカル結晶絶縁体の表面状態由来のディラック分散がこの大きな値に寄与している可能性がある。本成果はトポロジカル材料の物理的性質を不揮発に室温で制御することに成功した成果であり、トポロジカル材料の応用可能性の道を開くものである。
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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
トポロジカル結晶絶縁体の特異な表面状態に着目した研究計画を進めていたが、最新の物理現象であるベリー曲率ダイポール由来の非線形ホール効果の観測に成功しており、これは当初の期待を上回る成果である。さらに、この現象がPbSnTeの強誘電性に関連していることを突き止め、ベリー曲率ダイポールの不揮発なスイッチングにも成功した。さらに、この効果が室温という応用上極めて重要な温度領域でも発現することを示した。以上から本研究は当初の計画以上に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はこれまでに明らかになった、PbSnTeにおけるベリー曲率ダイポールのスイッチング効果のベンチマークを評価していく。さらに表面状態でのスピンの振る舞いを定量的に評価していく。具体的には表面状態の電流－スピン流変換特性を詳細に評価する。スピン流から電流の変換には光起電力効果を用いる。円偏光によりスピンを材料に注入し、光電流を測定することでスピンから電流への変換を評価する。電流からスピン流への変換はスピントルク強磁性共鳴を利用する。パーマロイとPbSnTeの二層構造を成膜しPbSnTeの表面状態を流れるスピン流がパーマロイの磁化へ及ぼすトルクを評価することで、電流からスピン流への変換効率を同定する。最終的には磁化反転を測定可能なデバイスを作製し、磁化反転効率についても詳細に評価する。
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