理化学研究所/東京大学/日本原子力研究開発機構

平成27年6月16日
理化学研究所
東京大学
日本原子力研究開発機構

新しい物質を実現するイリジウム酸化物の性質を解明
-超格子薄膜技術による低消費電力デバイスの実現に向けて-

【要旨】

理化学研究所(理研)石橋極微デバイス工学研究室の松野丈夫専任研究員らの国際共同研究グループは、原子レベルの超格子薄膜技術[1]を用いてイリジウム酸化物の電子相を制御し、磁性の出現と絶縁体化が密接に関係していることを解明しました。

近年、低消費電力デバイス実現のための材料として、トポロジカル絶縁体[2]が注目されています。トポロジカル絶縁体の中には、理論的に実現可能と指摘されながらも、その発見に至っていないものがあります。そんな中、新しいトポロジカル絶縁体として期待されているのが、イリジウム酸化物です。イリジウム酸化物は、電子のスピン[3]と軌道運動の磁気的な相互作用である「スピン‐軌道相互作用[4]」と、電子同士の相互作用である「電子相関[5]」を併せ持つ物質です。この2つの相互作用の共存はこれまでにない「電子相関の効いたトポロジカル絶縁体」につながる可能性があると指摘されています。しかし、イリジウム酸化物は結晶構造の種類が少ないため、個別のイリジウム酸化物を対象とした研究は進んできたものの、イリジウム酸化物全体の性質を体系的に理解できていませんでした。

国際共同研究グループは、原子レベルで薄膜を積み重ねることができるパルスレーザー堆積法技術を用いて、ペロブスカイト構造[6]を持つイリジウムの酸化物(SrIrO3)薄膜とチタンの酸化物(SrTiO3)薄膜を交互に積み重ねた超格子構造[1]を作製しました。これにより、イリジウム酸化物の電子相を精密に制御することが可能になり、磁性を持った絶縁体相から特殊な金属の一種である半金属相へと電子相が変化していく様子を連続的にとらえることに成功しました。その結果、イリジウム酸化物における磁性の出現と絶縁体化が密接に関係していることを明らかにしました。

本研究は、スピン‐軌道相互作用と電子相関の系統的な理解をもたらすとともに、イリジウム酸化物において期待されるさまざまな電子相を超格子構造によって自在に制御する可能性を示しました。理論で予測されながらも発見されていない新たな種類のトポロジカル絶縁体の実現、さらには低消費電力デバイスへの応用が期待できます。

本研究は、文部科学省科学研究費補助金・新学術領域研究「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」における公募研究「超格子バンドエンジニアリングによるトポロジカル絶縁体の実現」および文部科学省科学研究費補助金・基盤研究S「重い5d遷移金属酸化物のスピン軌道相互作用と新奇電子相」の一環として行われました。成果は米国物理学会『Physical Review Letters』に近日中に掲載されます。

※国際共同研究グループ
理化学研究所 石橋極微デバイス工学研究室
 専任研究員  松野 丈夫(まつの じょうぶ)
東京大学 理学系研究科
 教授     髙木 英典(たかぎ ひでのり)
東京大学 物性研究所
 准教授    和達 大樹(わだち ひろき)
        (研究当時:東京大学工学研究科特任講師)
日本原子力研究開発機構 量子ビーム応用研究センター
 研究主幹   石井 賢司(いしい けんじ)
トロント大学 物理学科
 教授     Hae-Young Kee(ヘヤン・キ)

参考部門・拠点: 量子ビーム応用研究センター

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