磁性をデザインする新たな手法を开拓 バンドエンジニアリングと量子闭じ込め効果を用いた磁化制御
量子闭じ込め効果の强さの変调と磁化容易轴の対称性（状态密度の磁化方向依存性）の変化
(a) 量子井戸層の膜厚が厚い場合、量子閉じ込め効果が弱く、主に磁化容易軸は下の図の赤い領域のように二回対称性をもつ。
(b) (c) 量子井戸層の膜厚を薄くすると、量子閉じ込め効果が強まり、下の図の緑と白の領域のように4回対称性が強まる。
© 2017 田中?大矢研究室
东京大学大学院工学系研究科の宗田伊理也特任研究员(当时)、大矢忍准教授、田中雅明教授らのグループは、バンドエンジニアリング（物质中の电子のエネルギー帯构造を制御する手法）を用いて强磁性薄膜内の磁化の向きやすい方向（磁化容易轴）を人工的に制御する新しいコンセプトを提唱し、実际にそれが実现可能であることを実証しました。
物と物とがネットワークにつながる滨辞罢/滨辞贰社会では、电子デバイスのさらなる低消费电力化が必须です。スピントロニクスは、强磁性体の磁化がもつ不挥発性（电源を供给しなくても状态を维持できる性质）を利用して电子デバイスの低消费电力化の実现を目指す重要な研究分野です。しかし、现在、磁化を反転させる时に必要な电力が大きいため、その消费电力が问题となっています。强磁性を示す材料内の磁化容易轴を人工的に制御することができれば、消费电力を大幅に低减できると期待されます。
研究グループが用いたのはナノメートルの大きさの非常に薄い强磁性薄膜からなる量子井戸と呼ばれる构造です。量子井戸层の膜厚が薄ければ薄いほど、より强く量子効果が働き、电子や正孔（正の电荷をもつ电子の抜け孔）が强く量子井戸薄膜内に闭じ込められます。研究グループは、半导体でありながら强磁性を示すユニークな强磁性半导体骋补惭苍础蝉（骋补：ガリウム、惭苍：マンガン、础蝉：ヒ素）を用いて、膜の厚さが异なり量子闭じ込め効果の强さの异なる骋补惭苍础蝉量子井戸を有する様々なトンネルダイオード素子を作製しました。磁化を様々な方向に向けた状态でトンネル电流を测定したところ、电圧（正孔のエネルギー）の変化に対して磁化容易轴の方向（厳密には状态密度の磁化方向依存性の対称性）が大きく変化することを初めて见い出しました。また、量子井戸膜厚が薄く量子闭じ込め効果の强い素子ほど、この现象が顕着に现れることが明らかになりました。
本研究は、半导体で培われてきたバンドエンジニアリングの概念を强磁性体に応用したユニークな例であり、新しい磁化の制御方法の実现と、それによる电子デバイスの低消费电力化につながることが期待されます。
「磁化容易轴の制御手法と电界効果を组み合わせることによって、より低い消费电力で磁化を操作できる新しい可能性が生まれると期待しています。」と田中教授は语ります。また「バンドエンジニアリングによる磁性の制御は、ほとんど研究が行われていない未开拓の分野であり、今后、さらなる新たな展开が期待されます」と続けます。
実験を担当した宗田特任研究员は「别のテーマの実験をしている时に偶然発见しました。どんな现象が起きているか、注意深く実験と考察を重ねることで、非常に明确で系统的な结果を导き出すことができました。また今回の研究により强磁性半导体の新しい可能性を引き出すことができたと考えています」と话しています。
论文情报
, "Artificial control of the bias-voltage dependence of tunnelling-anisotropic magnetoresistance using quantization in a single-crystal ferromagnet", Nature Communications Online Edition: 2017/05/22 (Japan time), doi:10.1038/ncomms15387.
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