铁硅化合物中新的拓扑表面状态 - -使用普通元素实现自旋电子学功能-

铁硅化合物中新的拓扑表面状态 - -使用普通元素实现自旋电子学功能-

1 .发表要点: ◆发现地球上丰富的由铁( Fe )和硅( Si )组成的化合物FeSi中出现了强烈的自旋轨道相互作用(注1 )的表面状态，利用该表面状态实现了自旋电子学功能(注1 )。  

◆阐明了FeSi的表面状态特征来源于晶体内部电子状态的拓扑(注2 )，与现代极化理论中使用的几何学相位的概念(注3 )相关。 ◆这有可能成为以往不太被关注的常见元素化合物中潜藏的拓扑物性(注2 )电子自旋学功能的开拓方针，从而确立支撑信息化社会持续发展的物质基础。

2 .发表概要: 通过同时利用电子所具有的电气性质(电荷)和磁性性质(自旋、注1 )来电气操作磁铁状态的技术，作为推动现代电子学发展的要素备受关注。 特别是近年来发现的拓扑绝缘体(注4 )，由于其表面状态下可以进行高效、省电的自旋操作，有望成为有前景的物质基础。 另一方面，以拓扑绝缘体为首的现有候补物质需要含有重元素，从材料的观点来看，在稀少性和毒性方面存在课题。 以东京大学研究生院工学系研究科的大冢悠介研究生(当时)、金泽直也讲师、平山元昭特任副教授、理化学研究所创发物性科学研究中心的十仓好纪中心长等为中心的研究小组，与东北大学金属材料研究所的冢崎敦教授、藤原宏平准教授等研究小组共同， 发现了地球上丰富的铁( Fe )和硅( Si )组成的化合物FeSi中的新拓扑表面状态(注2 )，实现了源于强自旋轨道相互作用的自旋电子学功能。 另外，与东京大学物性研究所的中岛多朗副教授、综合科学研究机构中子科学中心的花岛隆泰研究员、日本原子能研究开发机构J-PARC中心/高能加速器研究机构的青木裕之特别教授共同，直接观测了FeSi表面的铁磁性自旋状态(注1 )。 根据这次的发现，明确了在稀有元素化合物中开拓的拓扑物性和自旋操作功能，即使是普通元素的化合物也可以实现。 也就是说，在抑制资源制约和环境负荷的同时，有可能大幅推进电子设备的省电和高功能化，期待为确立支撑信息化社会持续发展的物质基础做出贡献。

3 .发表内容: <研究背景> 现代电子学面临着半导体集成度的极限和信息处理的能源消耗量急剧增加的课题，不仅是微细化技术的提高，半导体设备的高性能化和新功能赋予也成为了重要的开发战略。 其中，利用电子所具有的自旋自由度的自旋电子学备受期待，物质器件的开拓被广泛研究。 物质的表面和界面有时会出现特殊的自旋状态，发挥自旋电子学功能。 特别是近年来发现的拓扑绝缘体的表面状态，为了能够进行高效、省电的自旋操作，作为使迄今为止培养的半导体自旋电子学向前发展的要素备受瞩目。 另一方面，拓扑绝缘体等现有物质通过重元素所具有的强烈的自旋轨道相互作用，保证了其特征性的自旋状态。 但是，从材料的观点来看，在这些重元素的稀少性和毒性方面有课题。 <研究内容> 本研究表明，地球上丰富的由铁( Fe )和硅( Si )组成的化合物FeSi存在强烈的自旋轨道相互作用的表面状态，并实现了可应用于电流感应磁化反转等非易失性存储器中信息记录技术的自旋电子学功能。 图1是明确了FeSi表面与迄今已知的晶体内部的非磁性绝缘体状态(不具有磁铁性质不导电的状态)不同，显示出强磁性金属状态(具有磁铁性质导电的状态)的实验结果。 在测量FeSi薄膜试料的单位面积电导率和空穴电导率(注5 )时，观测到了各自来自相对于薄膜厚度不变化的表面强磁性金属层的贡献。 另外，使用大强度质子加速器设施( J-PARC )物质生命科学实验设施( MLF，注6 )的极化中子反射率计( BL17，SHARAKU )进行的极化中子反射实验证实了铁磁性状态只存在于表面的几个原子层(约0.3纳米)（図２）。计算了表面的电子态和自旋态，结果表明，FeSi表面具有不同于拓扑绝缘体的拓扑性质，从而表现出特征性的表面电子分布和较强的自旋轨道相互作用。 图3表示计算出的表面电子的波函数和自旋状态。 电子以从原子核的位置稍微浮起的方式分布，表面形成了电偏差(极化)。 由于该表面极化引起了强烈的自旋轨道相互作用，自旋方向和电子的运动方向相互关联的状态变得稳定。 我们发现，这些表面状态的特征来源于晶体内部电子状态的拓扑，通过Zak相位(注3 )这一现代极化理论中使用的几何学相位的概念进行描述。 进一步发现，利用这种强烈的自旋轨道相互作用，可以通过电流控制磁化方向。 图4是表示通过流过电流，FeSi表面的磁化(表示磁铁的强度和方向的量)上下反转的情况的示意图和实验结果。 通过霍尔效应(注5 )检测磁化方向，可知通过流过阈值以上的大电流，可以反复反转磁化方向。 它可以作为对按照磁化方向记录信息的非易失性存储器进行电气高速控制的方法来应用。 <社会意义今后的安排> 由原子序数较小的轻元素构成的化合物中强烈的自旋-轨道相互作用的表现打破了以往的常识，开拓了使用拓扑概念的自旋电子学物质设计的新模式。 由此，可促进作为环境负荷小、资源丰富的元素化合物中潜藏的拓扑物性功能的开拓，有望实现电子设备的省电化和高功能化。 今后也期待着提高面向在FeSi中发现的拓扑表面状态的多边实验和器件应用的自旋电子学功能。

<研究支援><研究支援> 本研究由日本学术振兴会( JSPS )科学研究费补助金基础研究b“基于zak相位控制的表面状态设计和自旋电子学功能实现(研究代表者:金泽直也)”( Grant No.JP20H01859 )、该基础研究b“拓扑热传输的低温成像分光(研究代表者者:丰田新悟)”( No. JP20H01867 )、该新学术领域研究(量子液晶的物性科学)“拓扑自旋液晶控制和巨大电子散射现象(研究代表者:金泽直也)”( GrantNo.JP20H05155 )、 科学技术振兴机构( JST )开创性的研究支援事业FOREST“为新一代计算元件创建技能离子物质基础(研究代表者:金泽直也)”( GrantNo. JPMJFR2038 )、 战略性创造研究推进事业CREST“利用纳米自旋结构的电子量子相位控制(研究代表者:永长直人)”( Grant No. JPMJCR1874 )、在该CREST“拓扑绝缘体异质结量子技术的基础创建(研究代表者:川崎雅司)”(GrantNo.JPMJCR16F1 )的支持下进行。

4 .发表杂志: 杂志名称:《科学高级》 论文标题:自组装自组装自组装自组装自组装自组装流体表面状态fesi 作者: Yusuke Ohtsuka，Naoya Kanazawa*，Motoaki Hirayama，Akira Matsui，TakuyaNomoto，Ryotaro Arita，Taro Nakajima，Takaya Su Han HiroyukiAoki，Masataka Mogi，Kohei Fujiwara，Atsushi Tsukazaki，Masakazu Ichikawa，MasashiKawasaki，Yoshinori Tokura DOI编号: 10.1126/sciadv.abj0498

发表者 大冢悠介(当时:东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业硕士研究生)金泽直也(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业讲师)平山元昭(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业特聘副教授/ 理化学研究所创发物性科学研究中心拓扑材料设计研究单元单元读取器) 松井彬(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业硕士研究生)野本拓也(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业助教) 有田亮太郎(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业教授/ 理化学研究所创发物性科学研究中心计算物质科学研究小组团队领导) 中岛多朗(东京大学物性研究所副教授)花岛隆泰(综合科学研究机构中子科学中心研究员) Victor ukle EV ( Paul Scherrer institute博士研究员) 青木裕之(日本原子能研究开发机构J-PARC中心研究主干/ 高能加速器研究机构物质结构科学研究所特别教授)茂木将孝(当时:东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业博士生/  目前:技术博士研究员Massachusetts institute of technology博士)藤原宏平(东北大学金属材料研究所副教授)  

冢崎敦(东北大学金属材料研究所教授)市川昌和(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业名誉教授)川崎雅司(东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业教授/ 理化学研究所创发物性科学研究中心副中心主任)十仓好纪(理化学研究所创发物性科学研究中心主任/ 东京大学国际高等研究所东京学院卓越教授)  

5 .咨询处: (有关研究的事情) 东京大学研究生院工学系研究科物理工学专业讲师 金泽直也 03-5841-6840

E-mail : kanazawa[at]ap.t.u-tokyo.ac.jp

理化学研究所创发物性科学研究中心中心主任 东京大学国际高等研究所东京学院卓越教授 十仓好纪 (关于JST事业的事情) 科技振兴机构战略研究推进部绿色创新集团

嶋林裕子

 03-3512-3531传真: [phone]

E-mail：crest[at]jst.go.jp

(新闻负责人) 东京大学研究生院工学系研究科宣传室

E-mail：kouhou[at]pr.t.u-tokyo.ac.jp

理化学研究所宣传室新闻负责人

E-mail：ex-press[at]riken.jp

东京大学物性研究所宣传室 04-7136-3207

E-mail：press[at]issp.u-tokyo.ac.jp

综合科学研究机构中子科学中心利用推进部宣传负责人 029-219-5310内线3709，3705 传真: [phone]

E-mail：press[at]cross.or.jp

高能加速器研究机构宣传室  

 029-879-6047

E-mail：press[at]kek.jp

J-PARC中心宣传部分 029-284-4578

E-mail：pr-section[at]j-parc.jp

东北大学金属材料研究所信息企划室宣传班 022-215-2144

E-mail：imr-press[at]imr.tohoku.ac.jp

科学技术振兴机构宣传科 03-5214-8404传真: [phone]

E-mail：jstkoho[at]jst.go.jp

6 .用语解说: (注1 )自旋、自旋轨道相互作用、自旋电子学 来自电子自转运动的角动量叫做自旋，相对于自行车轴的方向具有方向。 物质中的电子集团表示相同的自旋方向时，将显示磁铁的性质。 电子动量和自旋之间起作用的力称为自旋轨道相互作用，一般来说，越重的原子表现为越大的效果。 利用自旋的电子技术被称为自旋电子学，利用自旋-轨道相互作用的技术开发正在进行研究。 (注2 )拓扑、拓扑表面状态、拓扑物性 拓扑是被称为拓扑几何学的数学之一，根据形状是否随连续变形而变化来对物体的形状进行分类。 物质内部的电子状态如果具有用特别的拓扑表示的结构，反映该结构的特征性状态会出现在表面，呈现出与物质内部不同的性质。 在此，将那样的表面状态和性质分别称为拓扑表面状态和拓扑物性。 (注3 )由现代极化理论中使用的几何学相位、Zak相位电子状态的几何学性质决定的量子力学相位。 对于横穿动量空间的路径，对应积分Berry连接的量。 (注4 )拓扑绝缘体 根据电子状态的拓扑结构，内部是不导电的绝缘体，但表面是成为导电金属的物质。 特别是其拓扑结构与Berry曲率的概念密切相关。 (注5 )霍尔效应、霍尔电导率 电流方向因磁场等而向垂直方向弯曲的现象称为霍尔效应，表示电流相对于电场向垂直方向弯曲的大小的量称为霍尔电导率。 特别是磁化引起的霍尔效应称为异常霍尔效应，通常与垂直于电流的磁化大小成正比。 本研究利用异常霍尔效应，评价了磁化的大小和方向。 (注6 )大强度质子加速器设施( J-PARC )物质生命科学实验设施( MLF ) J-PARC是日本原子能研究开发机构和高能加速器研究机构在茨城县东海村共同运营的尖端大型研究设施，进行着基本粒子原子核物理学、物质科学、生命科学等广泛领域的世界最先进的研究。 在MLF，使用世界最高等级的脉冲中子和μ束、最先进的实验装置进行物质科学、生命科学的学术研究和产业应用研究。 综合科学研究机构中子科学中心对以“SHARAK线进行了选定和利用支持。

6 .用语解说: (注1 )自旋、自旋轨道相互作用、自旋电子学 来自电子自转运动的角动量叫做自旋，相对于自行车轴的方向具有方向。 物质中的电子集团表示相同的自旋方向时，将显示磁铁的性质。 电子动量和自旋之间起作用的力称为自旋轨道相互作用，一般来说，越重的原子表现为越大的效果。 利用自旋的电子技术被称为自旋电子学，利用自旋-轨道相互作用的技术开发正在进行研究。 (注2 )拓扑、拓扑表面状态、拓扑物性 拓扑是被称为拓扑几何学的数学之一，根据形状是否随连续变形而变化来对物体的形状进行分类。 物质内部的电子状态如果具有用特别的拓扑表示的结构，反映该结构的特征性状态会出现在表面，呈现出与物质内部不同的性质。 在此，将那样的表面状态和性质分别称为拓扑表面状态和拓扑物性。 (注3 )由现代极化理论中使用的几何学相位、Zak相位电子状态的几何学性质决定的量子力学相位。 对于横穿动量空间的路径，对应积分Berry连接的量。 (注4 )拓扑绝缘体 根据电子状态的拓扑结构，内部是不导电的绝缘体，但表面是成为导电金属的物质。 特别是其拓扑结构与Berry曲率的概念密切相关。 (注5 )霍尔效应、霍尔电导率 电流方向因磁场等而向垂直方向弯曲的现象称为霍尔效应，表示电流相对于电场向垂直方向弯曲的大小的量称为霍尔电导率。 特别是磁化引起的霍尔效应称为异常霍尔效应，通常与垂直于电流的磁化大小成正比。 本研究利用异常霍尔效应，评价了磁化的大小和方向。 (注6 )大强度质子加速器设施( J-PARC )物质生命科学实验设施( MLF ) J-PARC是日本原子能研究开发机构和高能加速器研究机构在茨城县东海村共同运营的尖端大型研究设施，进行着基本粒子原子核物理学、物质科学、生命科学等广泛领域的世界最先进的研究。 在MLF，使用世界最高等级的脉冲中子和μ束、最先进的实验装置进行物质科学、生命科学的学术研究和产业应用研究。 综合科学研究机构中子科学中心对以“SHARAKU”为首的共用束流线进行了选定和利用支持

７．附件:

图1 FeSi薄膜的单位面积的电导率( a )和空穴电导率( b )的膜厚依赖性。

  分别与通电的容易度和磁化的大小成正比。 如果物质内部和表面都是相同的状态，则图表的截距(横轴为零时的纵轴值)为零。 发现在FeSi薄膜中，电导率和空穴电导率都显示出有限的切片(有助于薄膜对厚度不变)，表面存在金属传导。 特别是从与磁化成比例的空穴电导率来看，表明了强磁性状态在表面共存。

图2极化中子反射实验示意图。 入射使自旋方向与外部磁场平行或反平行一致的中子线时，中子线的反射率会根据试料深度方向的磁化分布而变化。 

测量改变了自旋方向和入射角度的反射率，通过分析其信号可以观测磁化的分布。 发现了在FeSi中，铁磁性状态只存在于红色所示的表面。

图3计算出的表面电子波函数的分布( a )和动量空间中表面带结构的等能量线和自旋状态( b )。 ( a )中的黄色和蓝色的球分别表示Fe和Si的原子位置。 用蓝色描绘的表面电子的波函数，呈现出了仿佛从表面的Fe原子浮出的分布。 另外，( b )中的箭头表示自旋的方向，在运动量空间中形成螺旋状的排列。 这些电子状态自旋状态来源于用Zak相位描述的晶体内部的拓扑结构。

图4 FeSi薄膜的电流感应磁化反转的示意图( a )和实验结果( b )。 在如FeSi那样存在强自旋轨道相互作用的表面，电流会蓄积特定方向的自旋，角动量的传递会引起磁化方向反转的现象。 本研究通过霍尔效应检测了磁化方向。 如( b )所示，在正向增加电流脉冲的大小时，在阈值处观测到了霍尔电阻率的值(磁化方向)从正(向上)变化为负(向下)的情况。 电流的方向相反(负)时，霍尔电阻率的值(磁化方向)从负(向下)变化为正(向上)。 这表明可以电气控制磁铁的方向，有助于提高非易失性存储器的功能。