平成２５年７月２９日
公立大学法人首都大学东京
国立大学法人京都大学
公立大学法人大阪市立大学
国立大学法人広岛大学
国立大学法人大阪大学
～ 首都大学東京、京都大学、大阪市立大学、大阪大学、広島大学による共同研究成果 ～
単纯な金属を磁気センサーに応用できる新メカニズムの発见350倍もの磁気抵抗効果を実現し、新たなデバイス作成への道筋を明らかに
首都大学东京（以下、「首都大」）、京都大学（以下、「京大」）、大阪市立大学（以下、「大阪市大」）、大阪大学（以下、「阪大」）、広岛大学（以下、「広大」）の研究チームは、非磁性の単纯金属※１であるパラジウム※２-コバルト※３酸化物の磁场による电気抵抗の変化（磁気抵抗効果※４）を测定し、巨大な磁気抵抗効果が现れることを発见しました。磁场がゼロのときと比べ、磁场中では电気抵抗が最大で350倍にまで増加しました。大きな磁気抵抗効果を示す例として、コンピューターのハードディスクなどからの情报の読み出しに使われている磁性体多层膜が知られており、その原理の発见は2007年のノーベル物理学赏にも选ばれました。本成果で発见された新しい磁気抵抗効果は、この磁性体多层膜での抵抗変化にも匹敌する大きさです。パラジウム-コバルト酸化物は、伝导电子を豊富に持ち磁気的な性质は持たないなど、多くの意味で「普通」の导电体ですが、このような単纯な金属で数百倍もの巨大な磁気抵抗効果が现れるのは惊くべきことです。また、この磁気抵抗効果の起源をコンピューターシミュレーションにより明らかにすることにも成功しました。その结果、単纯な金属でも几つかの条件を満たせば巨大な磁気抵抗効果を示しうるという、これまで见落とされてきた事実が明らかになりました。
この発见は电気伝导现象の基础学术研究の上で大変兴味深い成果です。それだけでなく、この発见は、単纯金属でも磁気センサーに応用できる可能性を初めて示したものであると言えます。
この成果は、アメリカ物理学会が発行する英文誌Physical Review Lettersの111巻5号（2013年8月2日発行）に掲載予定です。また、編集者の推薦論文（Editors’Suggestion）に選ばれ、アメリカ物理学会が注目論文を紹介するPhysics誌に解説記事が掲載されます。
论文掲载誌 Physical Review Letters 111巻5号 （現地時間201３年8月2日発行）
电子版&苍产蝉辫; http://prl.aps.org/toc/PRL/v111/i5 （現地時間2013年８月1日公開予定）
※こちらは111巻5号の目次の鲍搁尝です。现时点では论文の鲍搁尝/顿翱滨は未定です。
最新の情報につきましては、恐れ入りますが下記連絡先までお问い合わせください。
磁場によって物質の電気抵抗が変化する「磁気抵抗効果※４」は、現代社会に無くてはならないものとなっています。特に、ハードディスク等の磁気記録媒体からの情報の読み出しには磁気抵抗素子が使われていて、その性能の向上が現代の情報化社会の発展に大きく貢献してきました。現在、読み出し素子としては、「巨大磁気抵抗効果（Giant Magnetoresistance; GMR）※５」と呼ばれる大きな磁気抵抗効果を示す磁性体多層膜を用いたものが主に使われています。この磁性体多層膜の巨大磁気抵抗効果の発見は2007年のノーベル物理学賞にも選ばれており、このことも磁気抵抗効果の重要性を物語っています。最近では、さらに大きな磁気抵抗効果を示す「超巨大磁気抵抗効果（Colossal Magnetoresistance; CMR）」も盛んに研究されています。
従来知られているこれらの巨大な磁気抵抗効果は、物质の磁気的な性质を起源としています。つまり、物质中の元素が微小な磁石（磁気モーメント）としての働きを持つ状况で、その磁石と伝导电子の相互作用を利用することによって、巨大な磁気抵抗効果を生み出しています。一方、磁気的な性质を持たない金属も磁気抵抗効果を示しますが、その大きさは非常に小さいものしか知られていませんでした。この场合の磁気抵抗の起源は、运动する伝导电子が磁场から受ける力（ローレンツ力※６）であると考えられています。
首都大理工学研究科の高津浩助教、京大理学部の石川洵（学部学生；当时）、京大大学院理学研究科の米泽进吾助教、前野悦辉教授らの研究グループはパラジウム※２-コバルト※３酸化物笔诲颁辞翱2に注目してこれまで研究を进めてきました。この酸化物は、伝导电子を豊富に持つ、磁気的な性质は持たない、电子状态が単纯であるなど、多くの意味で単纯金属※1であると言えます。大きな特徴は、パラジウム原子の层とコバルト-酸素の层が交互に并んだ积层构造（図1）を持っているという点です。この物质の伝导电子はパラジウム原子の层に闭じ込められて2次元的に振舞います。この2次元电子の伝导性は极めてよく、笔诲颁辞翱2の层方向の电気伝导率は酸化物の中でも最高レベルの値を持っています。一方で、层の间の电気伝导率は层に平行な方向の电気伝导率の数百倍程度低く、実际に2次元に近い电子状态が実现されていることが、実験的にも明らかになっています。このように笔诲颁辞翱2は、非常に导电性の高い2次元的な电子状态が自然に形成されているという兴味深い物质です。
高津助教?米泽助教らは、笔诲颁辞翱2の単结晶（図2）を作製し、その层间方向の电気抵抗率について、磁気抵抗効果の温度依存性?磁场强度依存性?磁场角度依存性を调べました。その结果、非常に大きな磁気抵抗効果が起こることを発见しました。磁気抵抗効果による电気抵抗の変化量は、図3に示すように、最大でゼロ磁场での电気抵抗の値の350倍（35000%）にも达しました。（温度－271℃（絶対温度2ケルビン※７）?磁场14テスラ※８における値）。また、比较的高い温度でも大きな磁気抵抗効果は観测され、例えば温度－73℃（絶対温度200ケルビン）?磁场14テスラでも1.5倍（150%）、室温においても9テスラで约6%の磁気抵抗効果が観测できました。
これまでに知られている単纯金属の磁気抵抗効果は、极低温という磁気抵抗効果が出やすい条件下でも、10テスラ程度の磁场でせいぜい数倍でした。従って、本研究で発见された笔诲颁辞翱2での通常単纯金属の百倍もの巨大な磁気抵抗効果は、惊くべき结果であるといえます。
この现象の原理を明らかにするため、大阪市大大学院理学研究科の吉野治一准教授と村田惠叁教授は、広大大学院先端物质科学研究科の狮子堂达也助教と阪大产业科学研究所の小口多美夫教授の第一原理计算を基にした、ローレンツ力に起因する磁気抵抗効果のモデル计算プログラムを开発しました。このプログラムによる计算结果が実験结果をよく再现したことから、笔诲颁辞翱2の磁気抵抗効果はローレンツ力に起因するものであると考えられます。简単にいうと、図4のように、ローレンツ力によって伝导电子のパラジウム原子层内への闭じ込めが极端に强まることで、电気抵抗が大きく増大したと説明できます。兴味深いのは、これまで大きな磁気抵抗効果の起源になりうるとは考えられてこなかったローレンツ力が、なぜ笔诲颁辞翱2の场合には巨大な磁気抵抗効果を生み出せるのかという点です。その理由としては、伝导电子がパラジウム层内に闭じ込められていること、六角柱状のフェルミ面※９を持っていること、结晶が纯良で非常に高い电気伝导性を持つこと、の3点が重要であることが明らかになりました。
本成果では、非磁性の単纯金属でも巨大な磁気抵抗効果を示すことがあることを初めて明らかにしました。このことは、磁気抵抗効果を利用するデバイスを开発する上で、重要な指针を与えます。例えば、本成果で発见されたメカニズムを利用すれば、人工的に単纯金属の2次元构造を作ることで、磁性元素を使わずに大きな磁気抵抗効果を示すデバイスを作ることができる可能性を示しています。また、电気伝导现象の基础学术研究の上でも大変兴味深い成果といえます。加えて、同じメカニズムでの巨大な磁気抵抗効果を示す物质の开発など、物质科学的な侧面での波及効果も期待できます。
笔诲颁辞翱2は电気伝导を担うパラジウムの电気伝导层と絶縁的なコバルト-酸素のブロック层で构成されているため、パラジウムを他の元素に置き换えることで电気伝导性を制御したり、コバルトを他の元素に置き换えることで絶縁性や磁性を制御したりできると期待できます。従って、笔诲颁辞翱2に対して元素置换を行うことで、电気伝导の大きさや次元性の変化が巨大磁気抵抗に与える影响を実験的に明らかにしていきたいと考えています。また、同様なメカニズムによる巨大な磁気抵抗効果を示す物质系の探索も行っていきたいと考えています。
本研究は、文部科学省および日本学術振興会による科学研究費補助金事業（KAKENHI 21340100, 22840036, 24740240）およびグローバルCOE「普遍性と創発性が紡ぐ次世代物理学」の支援を受けました。また、京都大学における実験では、京都大学低温物質科学センターによる安定的な寒剤供給を通じたサポートを受けました。
＜书誌情报＞
“Extremely Large Magnetoresistance in the Nonmagnetic Metal PdCoO2”
（非磁性金属笔诲颁辞翱2における非常に大きな磁気抵抗効果）
Hiroshi Takatsu 1,2, Jun J. Ishikawa 2,3, Shingo Yonezawa 2, Harukazu Yoshino 4,
Tatsuya Shishidou 5, Tamio Oguchi 6, Keizo Murata 4, and Yoshiteru Maeno 2
1:首都大大学院理工学研究科 2:京大大学院理学研究科 3:東大物性研究所
4:大阪市大大学院理学研究科 5:広大大学院先端物質科学研究科 6:阪大産業科学研究所
Physical Review Letters誌 第111巻5号（2013年8月2日発行）
電子版公開日: 現地時間2013年8月1日予定
論文番号?DOI?URL: 現時点では未定； 詳細は下記までお问い合わせください。
＜注意事项＞
この资料に使用している図や写真等について、着作権等の问题はありません。
高津 浩 (首都大学東京大学院理工学研究科助教)
勤務場所の住所: 東京都八王子市南大沢1-1 首都大学東京理工学研究科8号館
TEL: 042-677-1111（内線3322） FAX: 042-677-2483
携帯番号: 090-9358-3997 e-mail: takatsuｚ＊tmu.ac.jp
米澤 進吾 (京都大学大学院理学研究科助教)
勤務場所の住所: 京都府京都市左京区北白川追分町 京都大学理学研究科 5号館139号室
TEL: 075-753-3744 FAX: 075-753-3783
携帯番号: 090-8234-3117 e-mail: yonezawa＊scphys.kyoto-u.ac.jp
别-尘补颈濒の＊は半角蔼に置き换えてください。
※１. 単純金属
ここでは、物质の化学组成ではなく电気的性质に着目して、电流をよく流す物质を「金属」と呼んでいます。特に、伝导电子の状态が简単なものを単纯金属と呼びます。例えば、金?银?铜やナトリウムなどは典型的な単纯金属です。笔诲颁辞翱2もシンプルで2次元的な电子状态を持つ単纯金属に分类できます。
※２. パラジウム（Pd）
原子番号46の元素。元素周期表でプラチナ（白金）の上に位置しており、プラチナと似た性质を持っています。宝饰品や触媒に利用されているほか、多量の水素を吸収することでも知られています。笔诲颁辞翱2では、パラジウムの电子が电気伝导性を担っています。
※3. コバルト（Co）
原子番号27の元素。元素周期表では鉄とニッケルに挟まれた位置にあり、これらの元素と同様、磁気的な性质をもちやすい倾向にある元素です。実际、単体では、鉄やニッケルと同様、コバルトも磁石につく性质（强磁性）をもちます。しかし、笔诲颁辞翱2内ではコバルト原子はプラス3価のイオンになって酸素の八面体に囲まれており、磁気的な性质は消えてしまっています。
※４. 磁気抵抗効果（Magnetoresistance）
磁场によって物质の电気抵抗が変化すること。主に、物质の磁気的な性质と伝导电子の相互作用によって生じます。また、伝导电子が磁场から受ける力（ローレンツ力）によっても磁気抵抗効果は生じますが、ローレンツ力による磁気抵抗効果は弱いものしか知られていませんでした。
※５. 巨大磁気抵抗効果（Giant Magnetoresistance; GMR）
磁性体の人工多层膜において実现する巨大な磁気抵抗効果。室温において数10%以上の大きな磁気抵抗の変化率が実现するため、コンピューターのハードディスクの磁気ヘッドなどに広く利用されています。その基础科学?応用両面での重要性から、骋惭搁の発见は2007年のノーベル物理学赏にも选ばれました。
※６. ローレンツ力
磁場中で運動する荷電粒子が受ける力。ローレンツ力 Fは、電荷qを持つ粒子の速度 vと磁束密度B （真空中では磁場Hに比例）のベクトル積F = q (v × B)で表すことができます。つまり、荷電粒子は、速度と磁束密度の両方に垂直な方向に力を受けることになります。この関係は「フレミングの左手の法則」として良く知られています。
※７. ケルビン（K）
絶対温度の単位。－273.15 ℃がゼロケルビンに対応し、1ケルビンの温度差が1℃の温度差と等しくなるように定義されています。
※８. テスラ（T）
磁束密度の単位ですが、磁场の大きさを表すのにもよく使われます。例えば、地磁気の大きさは约0.00005テスラ（50マイクロテスラ）、文房具にも使われるネオジム磁石の磁束密度は大体0.1から0.5テスラ程度です。これらと比べると、14テスラという磁场はだいぶ大きく感じられるかもしれませんが、超伝导コイルを利用した电磁石を用いることで、大学の実験室等でも比较的容易に到达可能な磁场です。
※９. フェルミ面
伝导电子の状态や振る舞いを记述する面。より正确には、导电体の波数空间内で电子によって占められた部分の表面をフェルミ面と呼びます。多くの物质ではフェルミ面は复雑な形状をしていますが、単纯金属では球に近い形などの简単な形をしています。笔诲颁辞翱2の场合は、シンプルな六角柱状の形をしています（図3挿入図）。このように単纯な形のフェルミ面を持っているという意味でも、笔诲颁辞翱2は単纯金属であるといえます。
図1. PdCoO2の結晶構造。パラジウム（笔诲）の电気伝导层とコバルト-酸素から成る絶縁性のブロック层（颁辞翱2）が交互に积层することで二次元的な电子状态が実现しています。
図2. PdCoO2の単結晶の写真。図の矢印の方向に磁场をかけると、纸面に垂直な方向の电気抵抗に巨大な磁気抵抗効果が表れます。
図3. PdCoO2の単結晶の磁場中電気抵抗の温度依存性。磁场をある方向に印加すると最低温度ではゼロ磁场抵抗率の350倍（35000%）にも达することがわかりました。挿入図は第一原理计算によって得られた笔诲颁辞翱2のフェルミ面と结晶轴方向、印加磁场贬の関係。
図4. 本成果で発見された巨大な磁気抵抗効果のメカニズムの模式図。ゼロ磁場（左図）では伝導電子はパラジウム原子の層に弱く閉じ込められていますが、伝導電子は層と層の間にも広がっています。従って、層と層の間を電子が飛び移ることができ、層間方向にも電気が比較的流れやすい状態になっています。一方磁場中（右図）では、伝導電子はローレンツ力による蛇行運動のためにパラジウム層内に強く閉じ込められるようになります。その結果、層と層の間を電子が飛び移りにくくなって電気抵抗が大きくなります。PdCoO2では、層内で電子が非常に動きやすいため、この閉じ込め効果が強くなります。また、六角柱状というフェルミ面の形にも閉じ込め効果を強くする働きがあります。
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