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NTT・東大・東工大、エキゾチックな準粒子の量子的電気伝導を観測

2020/10/9 18:05
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発表日:2020年10月9日

世界で初めてエキゾチックな準粒子の量子的電気伝導を観測

~超高品質 SrRuO3薄膜を用いて『磁性ワイル半金属状態』の存在を実証~

日本電信電話株式会社(本社:東京都千代田区、代表取締役社長:澤田 純、以下 NTT)は、SrRuO3[Sr(ストロンチウム)、Ru(ルテニウム)、O(酸素)からなる化合物]の極めて高品質な単結晶薄膜(※1)を作製し、国立大学法人 東京大学(所在地:東京都文京区、総長:五神 真、以下 東大)大学院工学系研究科 電気系工学専攻 田中雅明教授らの研究グループと共同で、その低温、磁場下での電気伝導を測定することにより、『磁性ワイル半金属状態(※2)』と呼ばれるエキゾチックな状態に特有の量子的な電気伝導特性を世界で初めて観測しました。実験に加えて、国立大学法人 東京工業大学(東京都目黒区、学長:益 一哉、以下 東工大)科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所のHena Das(ヘナ ダス)特任准教授らの研究グループと共同の理論計算によっても、当該物質中に『磁性ワイル半金属状態』が実現することを実証しました。酸化物中に『磁性ワイル半金属状態』が存在することを理論・実験の両面で示した初めての研究成果です。

SrRuO3は、マイナス120℃程度以下まで冷やすと強磁性(※3)を示す金属です。一定サイズ(数mm角)以上のバルク単結晶(※4)の作製は困難なことが知られていますが、素子作製などに必要とされる比較的面積の大きい単結晶薄膜は、酸化物エレクトロニクス(※5)の分野で広く用いられています。今回作製したSrRuO3薄膜は、NTTが独自に培った高品質な酸化物薄膜作製技術と、機械学習を援用した作製条件の最適化(プロセスインフォマティクス)との組み合わせによって得られたもので、金属薄膜の品質の指標となる残留抵抗比(※6)の記録を20年ぶりに塗り替える高品質なものです。

本研究により、物質中に『磁性ワイル半金属状態』が実在することがより強固に示されるとともに、そのようなエキゾチックな状態が示す特異で量子的な電気伝導特性やその発現機構に関する基礎科学的な知見が得られました。物質中に『磁性ワイル半金属状態』が存在し得ることの最初の実験的検証(※7)からわずか3年が経過したばかりの現在、研究は黎明期にあり、成果の応用に関しては、素子の動作原理等に新たな可能性が加えられたという段階ですが、素子用の酸化物材料の研究に新機軸をもたらすとともに、将来的に新原理で動作する量子素子(デバイス)の設計等に資するものと期待されます。

本成果は、英国科学雑誌「Nature Communications」10月9日号に掲載されます。

1.研究の背景

近年、物質の量子的な状態の記述にトポロジー(位相幾何学)の概念が本質的な役割を果たすことが判明し、物質が示す性質がトポロジーによって理解されるトポロジカル物質と、その中で発現する特異な状態に関する研究が盛んです。しかし、そのような特異な状態のうち、『磁性ワイル半金属状態』というエキゾチックな状態が示す物性は、理論的予測が大半で、実験的には未解明な点が多く残っていました。『磁性ワイル半金属状態』の観測に関するこれまでの代表的な報告には、2017年のMn3Sn(東大ら(※7))、2019年のCo2MnGa(米国プリンストン大ら(※8))、Co3SnS2(独国マックスプランク微細構造物理学研究所と中国上海工科大ら(※9)、イスラエル ワイツマン研究所ら(※10))等がありましたが、この状態に特有の量子的な電気伝導特性、中でも量子振動現象(※11)の観測は報告されていませんでした。また、将来的な素子応用を視野に入れた時、単結晶薄膜の作製が容易な汎用性の高い物質で『磁性ワイル半金属状態』を内包する物質の発見と、その探索指針の構築が待たれていました。

*以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach_file/0541481_01.pdf

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