2014 Fiscal Year Research-status Report
非磁性酸化物の電気伝導界面における磁性秩序の検証と発現機構
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26390059
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
野島 勉 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (80222199)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 酸化物エレクトロニクス / 電界効果 / 電気二重層トランジスタ / ２次元電子系 / スピン－軌道相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、電気二重層トランジスタ構造によりSrTiO3表面上に形成される２次元電子系における、1.磁性秩序の有無の検証、2.磁気特性の解明、3.磁気特性発現条件の導出を行うことである。26年度は1.と2.に関する実験を行った。
原子レベルの平坦性を持つSrTiO3単結晶(100)表面上に上記デバイスを作製後、高密度（1平方cmあたり5～6×10の14乗個）の電子キャリアをゲート電圧により電場誘起し、得られた金属的な２次元電子系の輸送特性を詳細に測定した。その結果、約30 K以下の低温で電子移動度の急な増大が起き、これに伴って伝導面に平行磁場（6 T）に対して-10%を超える巨大な負の磁気抵抗効果が発達する現象を新たに見出した。これは、誘起した2次元電子系の電子スピンが面内のある方向に整列することを示唆する結果である。得られた輸送特性を説明する一つのモデルとして強磁性秩序が考えられるため、同程度の伝導電子密度を電界誘起した大面積のデバイスを新たに作製し、SQUID磁束計を用いてその面内磁場中での磁化の磁場・温度依存性の測定を行った。電界誘起した電子のすべてが強磁性秩序に寄与した場合に測定精度の範囲内で強磁性的秩序は観測可能であるが、常磁性的な信号しか得られなかった。よって強磁気秩序の存在は現時点では無いと判断している。
輸送特性と磁化の両方の結果を同時に満たすモデルとして、ラシュバ型スピン軌道相互作用によるスピンの整列現象が挙げられる。本実験で誘起される電子はTiの3d(t2g)軌道にある3つの電子軌道を満たす。理論計算によると、電界によって発生するこれらの多軌道混成効果により、ラシュバ効果は増強され結果として電子スピンは±x、±yの4方向しか向かないことが予測されている。本研究ではこの特殊な磁気構造を有する電子状態を実験的に始めて捕らえた可能性が高い。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の最も重要な成果は、電界誘起されたSrTiO3の２次元電子系において、輸送特性ではスピンの整列を示唆する巨大な磁気抵抗が観測されたにも関わらず、磁化では磁気秩序が観測されなかったことである。特に、液体のゲート材料を含む電気二重層トランジスタの磁化をデバイスごと精密測定するには実験プローブの開発やバックグランド除去といった多くの困難も伴ったが、強磁性秩序が無いと結論できるまでの実験結果に到達することができた。さらに磁化特性と一見矛盾する輸送特性は、電場で増強されたラシュバ型スピン軌道相互作用によるスピン整列という新たなモデルに焦点を当てるきっかけとなった。よって本研究目的のうち、当初目標であったSrTiO3表面上の２次元電子系における、1.磁性秩序の有無の検証と2.磁気特性の解明の一部は達成できたと言える。
当初計画において予測していた強磁性秩序が起きないという実験事実より、今後の研究計画へ多少の変更が必要であろう。しかしこれに変わる特異な磁気特性を説明する妥当なスピン軌道相互作用モデルを新たに発掘したという点は、むしろ当初の計画以上に進展した部分といえる。現状では、このモデルを検証するための磁化･輸送特性の磁場方位依存性やキャリア密度依存等のデータがまだ不足している。よって、これらを27年度の実験で十分なものにできれば、磁気特性の解明という意味で、研究は当初の計画通りに進むことになる。
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| Strategy for Future Research Activity |
電場誘起されたSrTiO3の２次元電子系において、当初予測した強磁性秩序は観測されないが、巨大磁気抵抗を伴う特異な磁気（スピン整列）構造が存在することは確実である。さらにデータを「電場によって出現する増強されたラシュバ型スピン軌道相互作用」というより現実的なモデルで説明できる感触も得ている。よって今後は、この磁気特性の解明を以下計画で押し進めることにより、最終目的である磁気特性の発現条件の導出まで到達する。
1.磁気特性の異方性とキャリア密度依存性：26年度と同等な試料を用いて磁気抵抗の磁場方位依存性（異方性）を詳細に測定し磁気構造とモデルの妥当性を確認する。さらに絶縁体領域から金属状態までゲート電圧を変化させながら、磁気特性（転移温度、磁気抵抗や磁気モーメント）のキャリア密度依存性を測定する。磁気特性に、あるキャリア密度で特徴的な変化が得られる場合、サブバンド構造計算より、電子がTiの3d軌道のどこまで占有されているか解析する。これをもとにスピン軌道相互作用のモデルとの比較を行う。
2.磁気特性の電場依存性：ゲート電圧の変化はキャリア密度だけでなく系にかかる電場の変化も伴う。よって上記の増強されたラシュバ型スピン軌道相互作用モデルを確実なものにするためには、キャリア密度を一定にして、電場のみを変化させる実験が必要となる。これを実現可能とする背面ゲート付き電気二重層トランジスタ構造を新たに作製し磁気特性の純粋な電場依存性を導出し、理論モデルとの関係を明らかにする。以上により本研究の目的を達成することができる。
3.強磁性が報告されているLAlO3/SrTiO3へテロ界面との整合性を取るために、SrTiO3表面での酸素欠陥の効果も必要になる可能性もある。計画より早く実験が進んだら、酸素欠陥を導入した試料で26年度と同様な実験を行う。
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Research Products
(1 results)
