強磁性半導体を含む複合ヘテロ構造を用いた次世代不揮発性論理デバイスの実現

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２０２０年度は主に２点の研究成果を挙げた。１点目は非磁性半導体InAs/強磁性半導体(Ga,Fe)Sbの新規奇パリティ磁気抵抗効果の発見である。時間反転対称性を保った物質の抵抗の磁場に対する応答は、偶であることが示されている。一方で時間反転対称性が破れる場合にはその限りではなく、磁場に対して奇関数として振る舞う抵抗成分が観測されうる。奇パリティ磁気抵抗効果はその効果を一般に表した用語だが、これまでの観測例では２％以下の抵抗変化しかなく応用などは考えられなかった。InAs/(Ga,Fe)Sbの新規奇パリティ磁気抵抗効果では１３．５％という巨大な抵抗変化が観測された。またこの磁気抵抗効果はゲート変調可能で、その結果から磁気近接効果による時間反転対称性の破れと、一次元伝導による空間反転対称性の破れが大きな抵抗変化の原因であることがわかった。２点目は強磁性ペロブスカイト酸化物SrRuO3におけるワイルフェルミオンの実験的観測の成功である。ワイルフェルミオンとは線形分散関係がその材料の対称性の破れに伴い縮退を解くことで現れる幾何学的に特異な電子状態に存在する粒子である。このような電子状態は高速な電気伝導やロバストな信号伝達などに役立つと考えられている。SrRuO3は強磁性であり、その磁化により時間反転対称性をやぶるとともにワイルフェルミオンの存在が実験的にも理論的にも示唆されてきた。一方で結晶の質を十分にしないとこの本質的な現象が観測されないことが問題だった。本研究では機械学習を援用した分子線エピタキシー法を用いることで世界最高品質の結晶作製に成功するとともにワイルフェルミオンを示す磁気伝導現象をすべて観測することに成功した。この結果は酸化物材料で初であり、今後の酸化物エレクトロニクスにおけるトポロジカル物質の重要性を示すものである。