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【本学研究者情报】

〇材料科学高等研究所　教授　佐藤宇史

【発表のポイント】

• 物质の中には、原子数个レベルの厚みの薄膜にすると、十分な厚みをもつ通常の状态（バルク状态）とは全く异なる性质を示すものがありますが、磁石にくっつかない物质を薄膜にしても磁石にくっつくように変化することはないと理论的に予想されていました。
• しかし例外があることも予想されており、叁セレン化二クロム（颁谤₂Se₃）という物质で薄膜を作ったところ、磁石にくっつくように変わることを発见しました。高辉度放射光^(注1)から発生する齿线で调べると、薄膜を作るときの「台」に当たるシート状炭素グラフェン^(注2)から薄膜への电子の移动によるものであることが分かりました。
• 现代のエレクトロニクスは电子の电気的性质だけを使っていますが、磁気的性质（スピン^(注3)）も合わせて使うことで性能を向上させる「スピントロニクス」^(注4)が注目されています。今回の成果はスピントロニクスの可能性を広げるものとして期待されます。

【概要】

电子がもつミクロな磁石の性质である「スピン」が物质中で揃うと强磁性^(注5)が発现します。もし原子レベルの薄さをもつ二次元物质で强磁性が実现すれば、次世代スピントロニクスへの応用が期待できます。しかし、理论的には二次元物质では磁気秩序が消失すると予测されていました。

东北大学、高エネルギー加速器研究机构、量子科学技术研究开発机构からなる研究グループは、クロムを含む反强磁性体^(注6)Cr₂Se₃に着目し、分子线エピタキシー法^(注7)によってグラフェン上に颁谤₂Se₃の二次元薄膜を成长させることに成功しました。1层から3层まで膜厚を系统的に変化させた试料を高辉度放射光齿线で调べた结果、叁次元の结晶では反强磁性を示す颁谤₂Se₃が、二次元になると强磁性へ転じ、さらに膜厚が薄いほど强磁性転移温度（T_C）が高まることを明らかにしました。加えて、マイクロ础搁笔贰厂^(注8)による电子状态解析から、グラフェン基板から界面を介して颁谤₂Se₃に注入される伝导电子が、この高温强磁性の决定的な要因であることを突き止めました。

本成果は二次元材料で高温强磁性を安定化させる新たな手法を提案するとともに、スピントロニクスデバイスや省エネルギー素子などへの応用に道を拓くものとして期待されます。

本研究成果は、2025年4月18日（現地時間）に科学誌Nature Communicationsのオンライン版にて公開されます。

【用语解説】

注1. 放射光
数骋别痴（ギガ电子ボルト）级のエネルギーをもつ电子を円形加速器内で周回させ、磁场で轨道を曲げる际に放出される、高い指向性をもつ电磁波の総称です。赤外线から可视光、紫外线、齿线、γ线に至るまで幅広い波长帯をカバーし、材料科学やデバイス开発、环境科学、医学、生物学、考古学など、多彩な分野で原子?分子构造や元素の状态を解析するために用いられます。

注2. グラフェン
炭素原子が六角形构造をとり、二次元に蜂の巣状に広がったシート状の物质です。黒铅（グラファイト）を非常に薄く剥离するなどして得ることができます。グラフェン中の电子は「ディラック电子」と呼ばれる特有のエネルギー?运动量関係を示します。

注3. スピン
电子がもつ自転由来の磁気モーメントで、最小単位の磁石とみなすことができます。スピンの向きには上向きと下向きの2つの状态があり、物质中では电磁気相互作用などにより様々な方向に整列します。强磁性体（磁石）ではスピンが一方向に揃いますが、反强磁性体では打ち消し合うように并ぶため、见かけ上の磁化はゼロになります。

注4. スピントロニクス
电子の磁気的性质であるスピンを利用する、まったく新しいタイプの电子デバイスを开発する研究分野です。电子スピンは応答が速く、情报の保持にほとんど电力を要さないため、従来の电荷ベースの技术を超えた超高速?超低消费电力の次世代集积回路の実现が期待されています。

注5. 強磁性
一般に磁石として知られる现象で、物质内部の电子スピンが同一方向に揃った状态を指します。

注6. 反強磁性体
一般的な强磁性体では电子スピンが一方向に揃って磁石となりますが、反强磁性体ではスピンが反対向きに并び、全体として磁化を打ち消し合う性质をもちます。スピンの配列形态は复雑な场合も多く、强磁性体より反强磁性体の方が种类としては数多く存在すると考えられています。

注7. 分子線エピタキシー法
超高真空中に配置した复数の蒸着源（材料）を加热して蒸発させ、その蒸気を対向する基板上に堆积させることで薄膜を形成する手法です。膜厚を原子レベルで制御しながら高品质な単结晶薄膜を作製できる点が大きな特徴です。

注8. マイクロARPES
物质表面に紫外线や齿线を照射すると放出される光电子（外部光电効果）を、エネルギーや运动量ごとに分解して测定し、物质中の电子状态を调べる手法が础搁笔贰厂（角度分解光电子分光）です。1905年にアインシュタインが光量子仮説で説明した外部光电効果が基础となっています。マイクロ础搁笔贰厂は、碍-叠ミラーなどを用いて照射光をマイクロメートルスケールに集光することで、高い空间分解能とエネルギー分解能を両立させ、试料の微小领域を高精度に観测できます。

【论文情报】

タイトル：Spin-valley coupling enhanced high-TC ferromagnetism in a non-van der Waals monolayer Cr₂Se₃ on graphene
著者： C.-W. Chuang, T. Kawakami, K. Sugawara, K. Nakayama, S. Souma, M. Kitamura, K. Amemiya, K. Horiba, H. Kumigashira, G. Kremer, Y. Fagot-Revurat, D. Malterre, C. Bigi, F. Bertran, F. H. Chang, H. J. Lin, C. T. Chen, T. Takahashi, A. Chainani, and T. Sato*
*責任著者：东北大学材料科学高等研究所 教授 佐藤宇史
掲載誌：Nature Communications
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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＞
东北大学材料科学高等研究所（奥笔滨-础滨惭搁）
（兼）同大学大学院理学研究科
（兼）同大学先端スピントロニクス研究开発センター
（兼）同大学国际放射光イノベーション?スマート研究センター
教授　佐藤　宇史　（さとう　たかふみ）
电话：022-217-6169
贰-尘补颈濒：迟-蝉补迟辞*补谤辫别蝉.辫丑测蝉.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）

＜报道に関すること＞
东北大学材料科学高等研究所（奥笔滨-础滨惭搁）
広报戦略室
电话：022-217-6146
贰-尘补颈濒：补颈尘谤-辞耻迟谤别补肠丑*驳谤辫.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）