磁性半導体の磁気単極子による電子の伝導制御－新たなスピントロニクス機能に道筋－

理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター強相関界面研究グループの高橋圭上級研究員（科学技術振興機構（JST）さきがけ研究者）、川﨑雅司グループディレクター（東京大学大学院工学系研究科教授）、強相関理論研究グループの永長直人グループディレクター（東京大学大学院工学系研究科教授）、強相関物性研究グループの十倉好紀グループディレクター（東京大学大学院工学系研究科教授）、東京大学大学院工学系研究科の石塚大晃助教らの共同研究グループは、「磁性半導体」チタン酸ユーロピウム（EuTiO₃）の高品質単結晶薄膜を作製し、通常は磁化に比例する異常ホール効果の値が、磁化に伴ってさまざまな値をとることを見いだしました。

本研究成果は、スピンの向きのそろった電子の運動を左右に振り分ける新たなスピントロニクス機能に結びつくと期待できます。

運動量空間において「磁気単極子」を創発する「ワイル・ノード」と呼ばれるバンド交差により、「内因性異常ホール効果」を定量的に説明できることが知られています。今回、共同研究グループは、反強磁性から外部磁場により強磁性にユーロピウム（Eu）の磁気モーメントがそろう過程で、異常ホール効果が磁化に比例した通常の値には縛られない振る舞いをすることを発見しました。そしてこの現象は、ゼーマン分裂がわずかに変化しただけで、ワイル・ノードが創発する磁気単極子のエネルギー位置が変化して、電子の軌道を変調するためであることを解明しました。EuTiO₃薄膜の高品質化により、これまでは観測できなかった新しい異常ホール効果を発見するとともに、その起源がバンド交差点のワイル・ノードであることを定量的に明らかにしました。

本研究成果は、米国のオンライン科学雑誌『Science Advances』（7月20日付：日本時間7月21日）に掲載されます。

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Science Advances：http://advances.sciencemag.org/content/4/7/eaar7880.full