【本学研究者情報】

〇本学代表者所属・職・氏名：金属材料研究所・教授・塚﨑　敦
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【概要】

理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター強相関量子伝導研究チームの茂木将孝客員研究員、十倉好紀チームリーダー（東京大学卓越教授／東京大学国際高等研究所東京カレッジ）、吉見龍太郎研究員、強相関界面研究グループの川﨑雅司グループディレクター（東京大学大学院工学系研究科教授）、創発光物性研究チームの小川直毅チームリーダー、東京大学大学院工学系研究科の藤村怜香（修士課程2年）、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授らの共同研究グループは、トポロジカル絶縁体^[1]と強磁性絶縁体^[2]の積層構造において、電流を流すことにより磁化方向が反転することを実証しました。

本研究成果は、二つの異なるトポロジーを持つ絶縁体界面に流れるトポロジカル電流^[3]が、強磁性絶縁体層の磁化に対して高効率にトルク^[4]（回転力）を与えることを示しており、低消費電力スピントロニクス素子^[5]への応用が期待できます。

今回、共同研究グループは、独自に開発したトポロジカル絶縁体「(Bi_1-xSb_x)₂Te₃（Bi：ビスマス、Sb：アンチモン、Te：テルル）」と強磁性絶縁体「Cr₂Ge₂Te₆（Cr：クロム、Ge：ゲルマニウム）」の薄膜積層界面において、強い磁気近接効果^[6]が生じることに着目しました。薄膜面内に電流を流したところ、界面に生じたスピン蓄積が強磁性絶縁体の磁化にトルクを与え、磁化方向が上下に反転することが分かりました。さらに、トポロジカル絶縁体層の組成調整によって、トポロジカル絶縁体と強磁性絶縁体の界面におけるトポロジカル電流が高効率な磁化反転の起源として支配的であることが明らかになりました。

本研究は、オンライン科学雑誌『Nature Communications』（3月3日付）に掲載されました。

【用語解説】

[1] トポロジカル絶縁体
物質中の電子状態の幾何学的性質（トポロジー）を反映して、中身は電気を通さない絶縁体であるが、表面では電気を通す金属となる特殊な物質のこと。

[2] 強磁性絶縁体
鉄やコバルトなど、多くの磁石は金属であり電気を通す性質を持つ。一方で、電気を通さない磁石も存在し、（強）磁性絶縁体と呼ばれる。

[3] トポロジカル電流、トポロジカル物質
トポロジカル絶縁体や磁性化されたトポロジカル絶縁体は、電子状態のトポロジーによって特徴づけられる。これらの物質を総称してトポロジカル物質という。トポロジカル物質はその表面や端に、エネルギー損失の少ないトポロジカル電流が流れる。低消費電力素子への応用に向け、その損失の最小化が重要な研究課題の一つである。

[4] トルク、スピントルク
トルクとは、ある回転軸を中心に働く力のモーメント（回転力）のことである。磁石は磁気モーメントを持ち、伝導電子の持つスピンは磁気モーメントにトルクを与えることができる。これをスピントルクという。

[5] スピントロニクス素子
電気の流れを利用して機能を生み出す技術をエレクトロニクスと呼ぶのに対し、スピン（磁石の最小単位）を利用した技術をスピントロニクスと呼ぶ。外部磁場を極力使用せずに磁性を制御することで、エネルギー損失の少ないメモリ、回路などの素子への応用が期待されている。

[6] 磁気近接効果
非磁性金属に磁性体を接合させると、非磁性金属側の電子が磁性体側から影響を受けて磁性化する効果のこと。トポロジカル絶縁体の場合、表面状態の電子が強磁性化され、異常ホール効果を生み出す。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学　金属材料研究所　低温物理学研究部門
教授　塚﨑　敦（つかざき　あつし）
Tel： 022-215-2085
E-mail： tsukazaki*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（取材・報道に関すること）
東北大学　金属材料研究所　情報企画室　広報班
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