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IBS、トポロジカルな性質と強磁性を同時にもつ物質を発見

鉄基盤の「Fe3GeTe2」


韓国の研究チームがトポロジカルな電子状態と強磁性を同時にもつ新物質を発見した。磁性を帯びていながら線(line)の形のトポロジカルな特異点をもつ強磁性体が発見されたのはこれが初めて。

IBS(基礎科学研究院、キム・ドゥチョル院長)は原子制御低次元電子系研究団のキム・ジュンソン研究委員と強相関係物質研究団のヤン・ボムジョン研究委員、マックス・プランク韓国·POSTECH研究所のキム・ギュ博士の共同研究チームが鉄基盤の「Fe3GeTe2」がトポロジカルな性質と強磁性を同時にもつ物質であることを発見したと7月24日に発表した。

トポロジカル物質の特徴はメビウスの輪に比喩できる。メビウスの輪をいくら変形させても、切断しない限り正常な輪にすることはできない。このようにトポロジカルな物質の電子構造も物質の化学構造が変わらない以上保存される。こうしたトポロジカルな安定性を活用すれば外部のノイズに強く情報損失のない量子素子を製造できる。

研究チームの合成した「Fe3GeTe2」にはトポロジカルな特異点が線(line)の形態で長く分布しており、この線に沿って量子力学的磁場が生じる。同時に強磁性体であるため電子スピンの方向が大部分一方向に向かう。外部の磁場がなくても電子それぞれのスピン(電子自身の回転運動)によって他の方向にも曲がる異常ホール効果(Anomalous Hall effect)が既存の強磁性体より強く現れる。

これまで多くの研究チームが普通の強磁性体で異常ホール効果を観測したが、サイズが小さかった。反面、既存のトポロジカルな物質はグラフェンやトポロジカル絶縁体のように磁性を帯びない物質が大部分で量子力学的磁場効果が現れても効果が相殺されて観測が難しかった。

研究チームは本研究でトポロジカルな状態と強磁性の両方を持った物質が実際に存在し、量子力学的な磁場の効果が大きく安定しており強い異常ホール効果を観測できることを確認した。

Fe3GeTe2は物質自体も長所が多い。まずグラフェンと似た点が多い。六角形の蜂の巣状のファンデルワールス構造も現れる。原子間の結合が弱い力で連結されたファンデルワールス構造の特徴上一層ずつはがして2次元の強磁性体を作ることができる。

Fe3GeTe2の構造が鉄(Fe)とゲルマニウム(Ge)が結合した層の間にテルル(Te)が挟まっているため。最近活発に研究されている2次元半導体物質とも容易に結合するという長所があり、素子開発にも広く応用できるものと見られる。

論文の共同第1著者であるキム・ギュ博士は「トポロジカルな特性をもつ強磁性体が自然界に多く存在しているものと期待される。トポロジカルな強磁性体であるFe3GeTe2に関する理解をつうじて今後も強いトポロジカルな特性をもつ磁性体を発見できるだろう」と述べた。

研究結果は『Nature Material』電子版に7月17日付で掲載された。







[2018-07-26]

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