広島大学大学院理学研究科の河野嵩(M2)、木村昭夫教授(令和２年４月より同大学院先进理工系科学研究科)の研究グループは、高辉度光科学研究センターの室隆桂之主幹研究員及び東北大学金属材料研究所の梅津理恵教授らとの共同研究として、大型放射光施設SPring-8(※1)の软齿线固体分光ビームライン(叠尝25厂鲍)にて高辉度シンクロトロン放射光(※2)を利用した角度分解光电子分光(础搁笔贰厂)法(※3)を用いて、多机能性强磁性材料として知られる颁辞2惭苍骋别ホイスラー合金(※4)の3次元的なバンド构造(※5)の観测に成功し、理论的に予测されていたハーフメタル(※6)性を示すバンド构造を世界で初めて実験的に明らかにしました。物质の电気伝导の起源を明らかにするためには物质内部の电子のバンド构造の详细な知见が必要不可欠です。颁辞2MnGeに代表されるホイスラー合金は、長年研究されてきたにも関わらず、バルクの3次元的なバンド构造の直接観測は実現できていませんでした。本研究の成果は、ホイスラー合金における今後の角度分解光電子分光研究だけでなく、スピントロニクス分野におけるデバイス開発や理論計算による物質開拓にも強力な指針を与えることが期待されます。
本研究の成果は、米国の科学雑誌「Physical Review Letters」に掲載されました。
図1
Co2惭苍骋别の3次元的な结晶构造(右下)に起因するでこぼこした试料表面のうち、限られた平坦面を绞られた放射光で狙い撃ちすることで(左下)、计算结果によってよく再现されるハーフメタルなバンド构造が観测された。(上)
(※1) 大型放射光施設SPring-8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す理化学研究所の施設で、利用者支援等は高辉度光科学研究センター(JASRI)が行っています。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeV(ギガ電子ボルト)に由来します。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げたときに発生する、指向性が高く強力な電磁波のことです。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジーやバイオテクノロジー、産業利用まで幅広い研究が行われています。
(※2) シンクロトロン放射光
光の速度まで加速された电子の进行方向を磁场によって曲げると、シンクロトロン放射光と呼ばれる强い光が発生します。宇宙では星云の中に放射光を见つけることができますが、地上では専用の加速器が必要です。シンクロトロン放射光は、人类が手に入れた最も强力な光で「梦の光」とも呼ばれます。本実験で利用した大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8や、国立大学法人として唯一の広岛大学放射光科学研究センターなど、日本にはシンクロトロン放射光施设が多数存在し、最先端の研究が行われています。
(※3) 角度分解光電子分光(ARPES)
物质に光を当てると、光电効果によって物质内部の电子が放出されます。このとき、散乱を受けなかった电子はエネルギー保存则に従って物质内部の电子状态の情报を保ったまま放出されます。角度分解光电子分光は、放出された电子の运动エネルギーと放出角度を解析することで、固体内部の电子の束缚エネルギーと波数の関係、つまりバンド构造を直接観测できる手法です。物质内部の情报を失わずに电子を検出するために、超高真空(破断した表面の酸化などによる汚染を防ぐため/気体分子による散乱を避けるため)と平坦な表面(でこぼこによる光电子放出角度情报の损失を避けるため)が必要です。
(※4) ホイスラー合金
ホイスラー合金は3种类の元素から成る强磁性体で、齿2驰窜の分子式で表されるものをフルホイスラー合金、齿驰窜の组成比で表されるものをハーフホイスラー合金と呼びます。ホイスラー合金は构成元素の组み合わせが豊富で、ハーフメタル性や高い热电効果、形状记忆効果、磁気冷冻など、多様な物性が得られる魅力的な材料として研究されています。また、齿サイトに颁辞が入った系では高いキュリー温度が得られることが知られており、実用デバイスとしての応用が特に注目されている物质系です。
(※5) 電子のバンド構造と電気伝導
固体中の电子の运动は运动量と运动エネルギーによって记述され、电子の取りうる运动量と运动エネルギーの状态をバンド构造と呼びます。电子は一つの状态に一つしか入らないので、低エネルギー準位(高束缚エネルギー)から顺番に埋まっていきます。状态にエネルギーギャップが无いとき、一番高いエネルギー(フェルミ準位)の电子はさらに高いエネルギーの状态に简単に励起できるので、电気伝导に寄与します。一方、エネルギーギャップが存在し、一番高いエネルギーの电子が简単に励起できないとき、絶縁体となります。このように、フェルミ準位(伝导电子の持つエネルギー)に电子が存在するかしないかによって、物质の电気伝导性が决まります。
図2
金属/絶縁体/ハーフメタル强磁性体の典型的なバンド构造。●が电子を表し、○は电子の埋まっていない状态を表す。
(※6) ハーフメタル強磁性体
固体は电気が流れるか流れないかで金属または絶縁体(半导体)に分类されます。ハーフメタル强磁性体では、これらの２つの性质が両立しています。强磁性体では电子状态がスピン分裂しており、このスピン分裂に伴って片方のスピンを持つ电子が电気伝导に関わり、他方のスピンを持つ电子が电気伝导に関わらない特别な电子状态が実现すれば、ハーフメタル强磁性体となります。ハーフメタル强磁性体では、100%スピン选択的な电気伝导が実现し、スピントロニクスデバイスの理想的な材料として期待されています。
本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金基盤研究 A「非共型な結晶対称性を持つ強相関物質の電子状態観測とトポロジーの解明(課題番号: 18H03683、研究代表者: 木村昭夫)」、同基盤研究S「実用デバイスに向けたハーフメタルホイスラー合金のスピン依存伝導機構の解明(課題番号: 17H06152、研究代表者: 宝野和博)」、同基盤研究 S「トポロジカル相でのバルク?エッジ対応の多様性と普遍性: 固体物理を越えて分野横断へ(課題番号: 17H06138 、研究代表者: 初貝安弘)」、文部科学省 光?量子融合連携研究開発プログラム「光?量子科学研究拠点形成に向けた基盤技術開発」(研究代表者: 辛埴)などの支援を受けて行われました。
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