トポロジーの変化に伴う巨大磁気抵抗効果を発見－非散逸電流のスイッチング原理を確立－

理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター強相関物性研究グループの茂木将孝研修生（東京大学大学院工学系研究科博士課程1年）、十倉好紀グループディレクター（同教授）、強相関界面研究グループの川﨑雅司グループディレクター（同教授、科学技術振興機構CREST研究代表者）、強相関量子伝導研究チームの川村稔専任研究員、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授らの共同研究グループは、磁性層と非磁性層を交互に積み重ねた「トポロジカル絶縁体」積層薄膜を開発し、磁気抵抗比10,000,000％を超える、非常に巨大な磁気抵抗効果を発見しました。

近年、磁性元素を添加したトポロジカル絶縁体で生じる「量子異常ホール効果」は、試料の端や磁壁に沿ってエネルギー散逸のない「端電流」が流れることから注目を集めています。量子異常ホール効果の安定化・高温化を図るとともに、端電流を小さな外部刺激によって制御する新しい機能性創出の研究が進められてきました。

　今回、共同研究グループは、磁性元素V（バナジウム）やCr（クロム）を添加したトポロジカル絶縁体「(Bi_1-ySb_y)₂Te₃（Bi：ビスマス、Sb：アンチモン、Te：テルル）」薄膜を開発しました。薄膜の上部にV、下部にCrを選択的に添加することにより、磁性/非磁性/磁性の三層構造を形成しました。二つの磁性層の保磁力の差を利用することで、互いの磁化方向を外部磁場によって平行、反平行と変化させることができます。本研究では、互いの磁化方向を平行から反平行に変化させることで、電気抵抗値が約20kオーム（Ω）から2ギガ（G）Ωまで、10万倍に変化する非常に巨大な磁気抵抗効果を観測しました。この高抵抗状態は、量子異常ホール効果の端電流をほとんど流さない状態を意味し、非散逸電流をトポロジー変化によって開閉するスイッチング原理を確立しました。さらに、この電気抵抗の高い状態は「アクシオン絶縁体」と呼ばれる量子化された電気磁気効果の発現が理論的に予測される状態に相当します。

　本成果は、トポロジカル絶縁体の学術的理解を深めるとともに、今後、観測温度の高温化や、超伝導体や強磁性体など多彩な物質との高品質なヘテロ構造化を実現することで、エネルギー消費の少ないエレクトロニクス素子や量子コンピューティングへの応用にもつながると期待できます。

本成果は、米国のオンライン科学雑誌『Science Advances』（10月6日付け：日本時間10月7日）に掲載されました。　

本研究は、最先端研究開発支援プログラム（FIRST）課題名「強相関量子科学」、戦略的創造研究推進事業（CREST）課題名「トポロジカル絶縁体ヘテロ接合による量子技術の基盤創成」の事業の一環として行われました。

プレスリリース本文：PDFリンク

Science Advances: http://advances.sciencemag.org/content/3/10/eaao1669.full

理化学研究所 : http://www.riken.jp/pr/press/2017/20171007_1/

東北大学 : https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2017/10/press20171005-02.html