红桃视频

【本学研究者情报】

〇金属材料研究所　准教授　関刚斎

【発表のポイント】

• トポロジカル物质^（注１）の一つであるコバルト?スズ?硫黄化合物（颁辞₃Sn₂S₂）をベースに、スピンホール効果（电流を流すと横方向にスピンの流れ（スピン流^（注２））が生じる现象）を最大化するための材料设计を理论提案し、実験的に実証しました。
• 低温で磁石になる颁辞₃Sn₂S₂の一部をインジウム（滨苍）またはニッケル（狈颈）に置换した材料について、低温での异常ホール効果^（注３）と室温でのスピンホール効果^（注４）を评価し、2つのホール効果の相関を确认しました。
• 异常ホール効果の情报をもとにスピンホール効果の大きさを理论予测できるため、材料探索の高速化が期待されます。

【概要】

スピンの流れ（スピン流）を积极的に利用し、スピンの方向で情报を记忆するスピントロニクス素子は、半导体エレクトロニクスだけでは难しい机能性（例えば低消费电力化など）を実现できるデバイスとして期待を集めています。しかしながら电流とスピン流との変换効率をいかに向上させるかが高性能化の键であり、高い変换効率の材料を探し出すための材料探索指针を示すことが切望されていました。

今回、东北大学金属材料研究所のラウ ヨンチャン（Yong-Chang Lau）特任助教（研究当時：現中国科学院物理研究所准教授）と関剛斎准教授、东北大学大学院理学研究科の小沢耀弘大学院生（研究当時）らの研究グループは、トポロジカル物质の電子状態に着目することで、磁石の中に現れる「異常ホール効果」と非磁石の「スピンホール効果」の大きさをそれぞれ理論計算から予測し、実験的にその材料探索指針を実証することに成功しました。今回の成果は、高いスピン変換効率を示す材料を探し出すための指針となり、トポロジカル物质をスピントロニクスに利用するための材料開発が加速し、将来の半導体エレクトロニクス素子の低消費電力化に大きく寄与するものと期待されます。

本研究成果は、2023年8月25日付で、米国物理学会の専門誌Physical Review Bに注目論文（Editors' Suggestion）としてオンライン掲載されました。

【用语解説】

注1. トポロジカル物质
固体中の電子の運動はバンド構造（原子軌道の集合体）によって特徴づけられ、その幾何学的性質の観点から物性を理解しようとする研究が進められている。従来の金属や半導体とは異なるバンド構造の幾何学的性質をもつ物質群をトポロジカル物质とよぶ。今回研究グループが用いたCo₃Sn₂S₂は、磁石としての性質（強磁性）をもつトポロジカル物质の一種として物性物理学分野で注目を集めているが、スピンホール効果を示す材料としての性質は未解明であった。

注2. スピン流
スピン角运动量の流れ。电子スピンは自転しており、スピン角运动量を持っている。この电子スピンを上向きスピンと下向きスピンに区别すると、上向きスピンの流れJ_↑と下向きスピンの流れJ_↓を用いて电流はJ_↑+ J_↓と表すことができる。一方で、スピン流はJ_↑- J_↓で表される。上向きスピンと下向きスピンが同数存在する非磁性体や常磁性体ではJ_↑とJ_↓が逆方向に流れることによりJ_↑- (- J_↓)の纯スピン流を生成することができる。

注3. 異常ホール効果
x、yおよびzから成る直交座标系において、导体物质のx方向に电流を流し、锄方向に磁场を印加すると、y方向に电圧（ホール电圧）が生じる。これは电子のうけるローレンツ力に由来し、ホール効果と呼ばれる。磁化を持つ磁性体では、ホール电圧に磁化の寄与が加わる。これが异常ホール効果と呼ばれる。

注4. スピンホール効果
スピン轨道相互作用の大きな非磁性体や常磁性体に电流を流すと、电流の横方向にスピン流が生じる现象。电流はスピン分极していないが（上向きスピンと下向きスピンの数は同数でJ_↑- J_↓= 0となるが）、スピン軌道相互作用により上向きスピンと下向きスピンが逆方向に散乱されることにより、電流の横方向にJ_↑- (- J_↓)のスピン流を発生できる。これは电荷の流れを伴わない纯スピン流となる。

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学金属材料研究所
准教授　関刚斎
TEL:022-215-2097
Email: takeshi.seki*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（报道に関すること）
东北大学金属材料研究所
情报企画室広报班
TEL: 022-215-2144
Email: press.imr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）