【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　教授　塚﨑 敦
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【発表のポイント】

• 地球上に豊富に存在する鉄（Fe）とシリコン（Si）から成る化合物FeSiにおいて強いスピン軌道相互作用（注１）を示す表面状態が現れることを発見し、その表面状態を用いてスピントロニクス機能（注１）を実現しました。
• FeSiの表面状態の特徴が結晶内部の電子状態のトポロジー（注２）に由来していて、現代の電気分極理論で用いられる幾何学的位相の概念（注３）に関連していることを解明しました。
• 従来あまり注目されてこなかったありふれた元素の化合物に潜むトポロジカル物性（注２）・スピントロニクス機能の開拓指針となり、情報化社会の持続的発展を支える物質基盤の確立に繋がる可能性があります。

【概要】

電子のもつ電気的な性質（電荷）と磁気的な性質（スピン、注１）を同時に利用することによって磁石の状態を電気的に操作する技術は、現代のエレクトロニクスを大きく発展させる要素として注目されています。特に近年発見されたトポロジカル絶縁体（注４）は、その表面状態における高効率・省電力なスピン操作が可能であるため、有望な物質基盤になると期待されています。一方で、トポロジカル絶縁体をはじめとした既存の候補物質は重元素の含有を必要とし、材料の観点からは希少性や毒性といった点で課題がありました。

東京大学大学院工学系研究科の大塚悠介大学院生（当時）、金澤直也講師、平山元昭特任准教授、理化学研究所創発物性科学研究センターの十倉好紀センター長らを中心とする研究グループは、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授、藤原宏平准教授らの研究グループと共同で、地球上に豊富に存在する鉄（Fe）とシリコン（Si）から成る化合物FeSiにおける新しいトポロジカル表面状態（注２）を発見し、強いスピン軌道相互作用に由来したスピントロニクス機能を実現しました。また東京大学物性研究所の中島多朗准教授、総合科学研究機構中性子科学センターの花島隆泰研究員、日本原子力研究開発機構J-PARCセンター／高エネルギー加速器研究機構の青木裕之特別教授と共同で、FeSi表面における強磁性スピン状態（注１）を直接観測しました。

今回の発見によって、希少元素化合物において開拓されてきたトポロジカル物性やスピン操作機能を、ありふれた元素の化合物でも実現可能であることが明らかにされました。つまり、資源の制約や環境負荷を抑えつつ、電子デバイスの省電力化や高機能化を大きく進展させる可能性があり、情報化社会の持続的発展を支える物質基盤の確立に貢献することが期待されます。

【用語解説】

（注１）スピン、スピン軌道相互作用、スピントロニクス
電子の自転運動に由来した角運動量をスピンといい、自転軸の方向に対して向きをもつ。物質中の電子の集団が同じスピンの向きを示すと磁石の性質を示す。電子の運動量とスピンの間に働く力をスピン軌道相互作用と呼び、一般に重い原子ほど大きな効果として現れる。スピンを用いた電子技術をスピントロニクスと呼び、スピン軌道相互作用を利用した技術開発が研究されている。

（注２）トポロジー、トポロジカル表面状態、トポロジカル物性
トポロジーは位相幾何学と呼ばれる数学の一つであり、連続的な変形に対して形が移り変われるかによって物体の形状を分類する。物質内部の電子状態が特別なトポロジーで表される構造をもつと、その構造を反映した特徴的な状態が表面に現れ、物質内部とは異なる性質を示す。ここでは、そのような表面状態と性質をそれぞれトポロジカル表面状態とトポロジカル物性のように呼ぶ。

（注３）現代の電気分極理論で用いられる幾何学的位相、Zak位相
電子状態の幾何学的性質によって決まる量子力学的位相。運動量空間を横切る経路に対してBerry接続を積分した量に対応する。

（注４）トポロジカル絶縁体
電子状態のトポロジーによって、内部は電気を通さない絶縁体であるが、表面は電気を通す金属となる物質である。特にそのトポロジーはBerry曲率いう概念と密接に関連している。

詳細（プレスリリース本文）

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