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2017 年度 実施状況報告書

スピン偏極陽電子ビームで観るディラックフェルミオン系表面のスピン偏極状態

研究課題

研究課題/領域番号 17K19061
研究機関国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

研究代表者

河裾 厚男  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 上席研究員(定常) (20354946)

研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2020-03-31
キーワードグラフェン / 六方晶窒化ホウ素 / スピン / ポジトロニウム / 陽電子 / 表面
研究実績の概要

半金属の単層グラフェンと絶縁体の単層の六方晶窒化ホウ素(h-BN)について、磁気近接効果によるスピン偏極状態をスピン偏極表面ポジトロニウム消滅分光測定と第一原理計算により調べた。基板金属として強磁性のコバルトとニッケルを用いたところ、グラフェンとh-BNのどちらにも、有限のスピン偏極が誘起されることが見いだされた。スピン偏極の大きさは、コバルト基板の方がニッケル基板よりも大きく、下地金属が同じ場合にはグラフェンとh-BNでは大差なかった。ニッケル基板の温度を強磁性-常磁性転移温度の370℃以上にすると、グラフェンとh-BNのスピン偏極は消失することが見いだされた。以上の結果から、磁気近接効果によるグラフェンとh-BNのスピン偏極が確認された。
下地金属が同じ場合にグラフェンとh-BNで類似するスピン偏極特性が現れる原因は、グラフェン・h-BNのπ電子と金属のd電子が強く混成することで、両物質に特徴的なディラックコーンやバンドギャップが消失し、互いに似通った金属電子状態になるためであることが判明した。即ち、磁気近接効果によるグラフェンとh-BNのスピン偏極は、それらの個性的な電子状態を失うことを代償としている。
元々h-BNはトンネルバリア層として注目されているが、上の結果は、金属との混成が強い場合その機能が損なわれる可能性を示唆される。グラフェンにおいても、より強いスピン偏極を誘起させようとすれば、強磁性体との接触により電子伝導特性が大きく劣化する可能性がある。グラフェンやh-BNを用いたスピンデバイスの開発においては、これらについて慎重に検討する必要があると言える。
以上の成果を論文として米国物理学会に投稿した。
スピン偏極表面ポジトロニウム消滅測定装置において、試料の冷却ステージを整備し、28Kから700Kの温度範囲で測定が可能となった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度はスピン偏極表面ポジトロニウム消滅分光測定によるグラフェンとh-BNの磁気近接効果の検証を予定していたところ、実際にスピン偏極の検出とそれらの起源の特定に至るとともに、成果を論文化した。また、次年度に予定している電流誘起スピン偏極の観測に必要な低温測定装置の準備を完了させた。

今後の研究の推進方策

スピン偏極表面ポジトロニウム消滅分光測定が、グラフェンとh-BNの磁気近接効果によるスピン偏極の検出に有効であることが判明した。そこで初年度に扱ったコバルトとニッケル以外の強磁性体を基板とした場合についても検証を進める。さらに、スピンホール系である白金などの重金属を基板とした場合のスピン注入の観測を行う。それらの進捗を考慮しながら、トポロジカル絶縁体表面における電流誘起スピン偏極効果の観測に挑む。

次年度使用額が生じた理由

契約差額による。
次年度の消耗品購入に充当する。

  • 研究成果

    (4件)

すべて 2018 2017

すべて 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [学会発表] 陽電子を利用した表面・スピントロニクス材料の研究2018

    • 著者名/発表者名
      河裾厚男
    • 学会等名
      第6回先進的放射光メスバウアー分光研究会
  • [学会発表] スピン偏極陽電子ビームによるグラフェン・窒化ボロン/コバルト系のスピン偏極状態の観測2017

    • 著者名/発表者名
      河裾厚男
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [学会発表] Application of spin-polarized positron annihilation spectroscopy to spintronics materials2017

    • 著者名/発表者名
      河裾厚男
    • 学会等名
      International Workshop on Physics of Positrons at Jefferson Lab, JPos2017
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Spin polarizations of graphene or h-BN-covered ferromagnetic surfaces observed by spin-polarized positron beam spectroscopy2017

    • 著者名/発表者名
      河裾厚男
    • 学会等名
      8th International Symposium on Surface Science, ISSS-8
    • 国際学会

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公開日: 2018-12-17  

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