非磁性半導体 FeSi における強磁性金属表面の発現とスピンオービトロニクス機能
金

澤

直

也 平

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昭


省電力デバイスの開発が期待されている．情報量の爆発に付

.

は じ

め

に

随して IT 機器の消費電力は増加の一途をたどっており，将来的には全体の消費エネルギーの数割を占めるようになると現代のエレクトロニクスは，物性物理学とともに急速に発も言われている．その一方で， 2050 年までに温室効果ガス

展してきている．およそ 70 年前は 1 台のコンピュータに対の排出を実質ゼロにするというカーボンニュートラル政策まして建物を埋め尽くす数の装置を必要としていた．しかし現で打ち出され，エネルギー問題を解決しない限り情報化社会

在では，トランジスタ，レーザー，液晶，磁性多層膜，光フはこのまま成長を続けることができなくなる懸念が出てきて

ァイバー， CCD (電荷結合素子)，発光ダイオードなどノーいる．

ベル賞級の革新的な物質・素子の発見によって，手のひらサ

その中でも近年急速に発展している物質中のトポロジーの

イズのスマートフォンで格段に速く，より大量の情報を処理概念が，エレクトロニクスにおける物質革新を起こすのではすることができている．さらに技術は発展し続け，メタバー

ないかと期待されている．トポロジーは連続変形で変わらなスといったオンライン上の仮想空間サービスまで登場し，まい図形の性質を調べる幾何学である．トポロジーを説明するさに映画で描かれるようなバーチャル世界がすぐそこに迫っ有名な例として，ドーナツとマグカップの関係が挙げられている．

る．ドーナツとマグカップはは連続的に移り変わることがで

情報エレクトロニクスの基盤である半導体は身の回りの電き，トポロジーの観点では同じ形であると分類される．この化製品や自動車などあらゆる場面で使われるようになり，経ような連続変形ではオイラー標数 x や穴の数といった種数 g

済発展の未来を左右するキーテクノロジーとなっている．しが不変な量となり，トポロジーにおいてはこれらの整数で図

かし， Moore の法則で予想される半導体の集積度も頭打ち形が特徴づけられ分類される．(多面体における頂点，辺，になる可能性が示唆され，次世代エレクトロニクスが高度な面の数をそれぞれ v，e， f とした時に，オイラー標数は x＝バーチャル世界を支え切れるかという技術面の障壁が囁かれ

v－e＋f で定義される．オイラー標数と種数の間には x＝2(1ている．これを解決するために，ハードウェアの観点から－g)の関係がある．）トポロジーの概念は，物性物理学においは，大きく 3 つのアプローチが提案されている(例えば，ては欠陥の分類学(1)や量子ホール効果の解釈(2)に用いられてIEEE International Roadmap for Devices and Systems)．1

きた．ともに巻き数や Chern 数といった整数で特徴づけらつ目は，微細化技術の向上や 3 次元化によってまだまだ集れるような秩序構造が現れ，トポロジカルな状態が相転積度は上げられるという Moore の法則を推し進める More

移(3)(5) や電気伝導特性(2) に決定的な影響を与えていること

Moore と呼ばれる戦略である．そして 2 つ目は，センサなが発見された．これらの発見に対し， 2016 年に David

どの周辺素子を半導体と組み合わせて多機能化を図る MoreThouless，F. Dancan M. Haldane，J. Michael Kosterlitz のthanMoore の戦略と呼ばれている．最後 3 つ目が，新物

質・新原理に基づく素子開発を目指す BeyondJ.

3 氏にノーベル賞が授与された．そして現在ではこれらの研Moore とい究を端緒として様々なトポロジカル状態が発見されてきた．

う戦略となっている．特に，現代社会が直面するエネルギ

特に，スキルミオンという渦状のスピン構造(6)やトポロジカ

ー・環境資源の観点から，3 番目の新物質開発を基軸とした

ル絶縁体という中身は絶縁体，表面は金属という特殊な電子

東京大学工学系研究科物理工学専攻講師，東京大学工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター(〒1138656 東京都文京区本郷 731)
Emergence of Ferromagnetic Metal Surface State in a Nonmagnetic Semiconductor FeSi and Its Spinorbitronic Functionality; Naoya
Kanazawa, Motoaki Hirayama(Department of Applied Physics, The University of Tokyo, Tokyo. QuantumPhase Electronics
Center, The University of Tokyo, Tokyo)
Keywords: FeSi, topology, Rashba eŠect, spinorbit torque, magnetoresistive randomaccess memory (MRAM)
2022年 6 月 1 日受理[doi:10.2320/materia.61.671]

ま て り あ 第61巻 第10号(2022)
Materia Japan状態(7)が室温でも安定に実現されている．ドーナツとマグカ
ップの関係のように，トポロジカル状態は変形に対してロバストな性質を示す．例えばスキルミオンは電流によって壊れず，不純物といった障害も変形によって回避して流れることができる(8)．またトポロジカル絶縁体では試料の形によらず表面でエネルギーのロス無しに電気を流すことを可能にする(7)．
実際にこれらのトポロジカル物性を利用したメモリが実験室レベルで開発されつつあり(9)(12)，トポロジーに起因した省電力性と安定動作の実装が期待されている．しかしトポロ
ジカル物質は，重元素・レアメタル固有の強いスピン軌道相
互作用によってそのトポロジカルな電子状態が実現されており，原子番号が大きな希少かつ毒性の高い元素を多く含んでしまっている．そのため，現状を打破するトポロジカル物質の開発が重要な課題である．
本研究はトポロジカル物性を示すありふれた元素の化合物の開拓に挑戦した．その結果，地球上にありふれた元素である鉄(Fe)とシリコン(Si)の 1 対 1 の化合物 FeSi において新しいトポロジカル表面状態を発見した(13) ．特に，比較的原
子 番 号 が 小 さ い に も 関 わ ら ず ， 40 meV に も お よ ぶ 強 いRashba 型のスピン軌道相互作用(SpinOrbit coupling:SOC)

が 表 面 に 発 現 し ， 一 方 向 性 磁 気 抵 抗 効 果 ( Unidirectional
MagnetoResistance:UMR)やスピン軌道トルク(SpinOrbit
Torque:SOT )を介した電流誘起磁化反転といったスピンオ

ービトロニク機能が実現できることを明らかにした．以下では，これらの結果について紹介する．

.

スピンオービトロニクス機能

図1

MRAM 素子における電流による磁化制御方法．( a )ス
ピン移行トルク( STT )方式．記憶層の磁化の向きを変化させるために，垂直方向にスピン偏極した大きな電流を流す．(b)重金属層に電流を流したときに生じるス
ピンホール効果を利用したスピン軌道トルク( SOT )方式．(c)重金属層に電流を流したときに記憶層との界面に発生するスピン蓄積を利用した SOT 方式． (オンラインカラー)

磁性体接合界面における巨大磁気抵抗効果の発見(14)(15)をきっかけとして，スピントロニクス分野が急速に発展してき磁化の向きが参照層の磁化の向きに揃えられるようになる．

た．スピントロニクスは，電子の持つ電荷の自由度に加え，この磁化方向の回転力はスピン移行トルク( STT )と呼ばれ磁性の起源となるスピンの自由度を同時に利用することで，ている．このような電気的磁化制御技術を用いると，従来の現在のエレクトロニクスを大きく発展させる技術として期待

磁場制御手法と比べて，高いスケーラビリティや低消費電力されている．特にその中心課題となっているのが，磁化状態性を実現することができる．しかし，デバイスの耐久性や安の電気的検出や制御技術の向上である．巨大磁気抵抗効果の定性について課題がある．記憶層の磁化の向きを反転させる

発見により磁化方向を高精度に検出することが可能になり，

大きな書き込み電流によって，絶縁層を破壊してしまうこと

ハードディスクドライブに記録された磁化情報(磁化の向きが生じる．そのためより高効率な磁化反転の実現が必要であが情報ビットに対応)を読み出すことができるようになっる．一方で磁化反転が低電流で容易に起きてしまうと，記憶た．一方で，情報の書き込みに対応する磁化方向の制御方法

層の磁化方向を読み出す際に流す電流によって，誤って記憶

は，電流によって誘起された磁場を用いており，素子の省電層の情報を書き換えてしまうことが起きてしまう．(参照層

力化や微細化を阻害している．

と記録層の磁化の向きが平行か反平行かで抵抗率が変わる

これに対して近年新たな磁化制御方式が提案され，不揮発性磁気メモリ MRAM (Magnetoresistive

RandomAccessMemory )に新たな展開がもたらされている．その 1 つがス「トンネル磁気抵抗効果」を用いることによって情報の読み出しを行う．）
そして STT 方式の欠点を解決する新たな電気的磁化制御

ピン移行トルク(Spin Transfer Torque: STT)による電気的手法が提案された．この手法はスピン軌道トルク( SOT )と磁化制御技術である(16)(17)．図(a)のように，MRAM 素子

呼ばれる磁化回転力を利用しており，スピンホール効果やは大きく 3 種類の層で構成されており，それぞれ，情報をEdelstein 効果といったスピン軌道相互作用(SOC )を起源に書き込む記憶層，記憶層の情報を判別するための参照層，そ持っている(18)(19) ．どちらの場合も素子の構造は同じであしてそれらを隔てる絶縁層(トンネル障壁層)となっている．

り，図 1(b),(c)のようになっている．記憶層の磁性体に Ta，例えば，参照層から記憶層の方向に電流を流すと，参照層のW，Ir，Pt といった強 SOC を示す重金属を接合し，その面磁化の向きにスピン偏極した電流が記憶層に流れ込み，スピ内方向に電流を流すと，記憶層/重金属層の界面にスピンがン偏極流と記憶層の磁化との交換相互作用により，記録層の蓄積する．この電流によって誘起されたスピンと記録層の磁




最近の研究

化の間で角運動量の受け渡しが生じ，磁化にトルクが働く．
SOT 方式により，書き込み電流と読み取り電流の経路を分離することができ，MRAM の耐久性や安定性が格段に向上
することが期待されている．このように SOC を介して電子の持つ軌道の自由度を積極的に活用することで，より高効率な磁化制御技術の実現が可能になる．特に軌道自由度の中心的な役割を果たしていることから，スピンオービトロニクスという新たな分野へと展開している(18)(19)．

. 巨大 Rashba 効果を示す物質の設計より少ない電流で効率的に SOT を誘起するためには，巨大なスピンホール効果または Edelstein 効果の設計が重要となる．これら 2 つの効果は分離することが困難で，どちらの寄与が主要な要因になっているかはわからないが，ここでは Edelstein 効果に焦点を当てて物質設計指針について考える．
物質界面は，その上下で構成元素や結晶構造が変化するた

図2

め，非対称的な構造になっている．このような空間反転対称

空間反転対称性の破れた系における Rashba 効果の発現．(a) Rashba 効果発現の模式図．(b)スピン分裂した
バンド分散．(c)フェルミ面におけるスピン偏極．(オンラインカラー)

性が破れた系においては Rashba 効果と呼ばれる反対称的
SOC が発現する(20)．模式的に表したものが図(a)である．

正負に帯電したカチオンとアニオンの層に挟まれた極性を持った領域における電子の運動を考える．＋k の運動量を持

物性を示す物質開拓が求められている(23)．

った電子に対して，電子が静止して見えるような座標系を基準にすると，周りのイオンが負の方向に運動する状況になる．言い換えると，静止している電子の周囲において電流 J

.

非磁性絶縁体 FeSi 表面における強磁性金属状態の発現が流れ，＋y 方向に実効的な磁場 BeŠ が発生する．同様に，－k の運動量を持った電子に対しては－ y 方向に実効的な

前述の通り，本研究では地球上にありふれた元素である

磁場 BeŠ が生じることがわかる．この相対論的効果から生じFe と Si でできた化合物 FeSi の表面に巨大 Rashba 効果をる実効磁場によってスピン縮退が解け，図 2 ( b ) ,( c )のよう実現し，MRAM に応用可能な電流誘起磁化反転現象を実証にバンド分裂が起こる．特に，実効磁場の向きは電子の運動

した(13)．

量k と分極 P に対して垂直であり，運動量の向きに対してFeSi は B20 型構造と呼ばれるキラルな立方晶の結晶構造

反対称的に振舞う．実際に Rashba 効果を表すハミルトニアを持っている．図(a)は［111］軸方向から見た結晶構造を

ンは HR＝ aR ( âz × k)・ s と表される．(aR は Rashba 係数， âz示している．原子がらせん階段状に配列していて，逆向きには分極方向，s は Pauli 行列を表す．）結果， Fermi 面におけ配列した構造とは重ね合わせることができず，結晶には左手

るスピンは渦状に偏極し(図 2( c ))，電流を流すとその印加

系と右手系の 2 種類が存在している．本研究では FeSi 表面

方向に応じてスピン密度に偏りを引き起こすことができる．

物性を明らかにするために，バルク状態の体積割合を抑制し

図 2(b),(c)の場合は，＋x 方向(－x 方向)に電流を流すと＋y

た厚さ 60 nm 以下の薄膜を合成した．図 3 ( b )のように，絶方向(－y 方向)を向いたスピンの密度が増加する．このよう縁 性 Si ( 111 ) 基 板 上 に ， 分 子 線 エ ピ タ キ シ ー ( Molecular

な Rashba 効果に由来した電流誘起スピン蓄積現象，広義的Beam Epitaxy:MBE)法を用いて FeSi をエピタキシャル成長には電荷スピン変換現象を Edelstein 効果という(21)．

させ，さらに表面酸化や汚染防止のために MgO の保護キャ

効率的なスピン蓄積の実現には，スピン分裂が大きい(実ップ層をスパッタリング法によって堆積した． FeSi 層は

効磁場が大きい)物質設計が必要である．原子番号が大きい〈 111 〉方向に揃って結晶成長しているが，同結晶構造を有元素で物質が構成されていると，原子核の大きな電荷によっする MnSi と同じように左手系と右手系の 2 種類のキラル結て誘起される実効磁場が増大される．そのため，一般に晶ドメインが混在している(24)．

SOT 方式の MRAM の接合層には重金属元素が用いられて

FeSi は 20世紀半ばから精力的に研究された有名な物質でいる．また最近では完全にスピン偏極したトポロジカル絶縁ある．図 3(c)のように，第一原理バンド計算では FeSi は単体表面の有用性も明らかになった(22) ．しかし，トポロジカ

純な非磁性の狭ギャップ( Eg ～ 100 meV )絶縁体であると予

ル絶縁体も含め，これらの候補物質に含まれる重元素は概し測された(25)．しかし，FeSi は非自明なスピンや電荷の動的て希少性や毒性，環境負荷といったリスクを伴い，今後の半挙動を示すことから強相関効果の重要性が指摘されてきてお導体基盤に広く使用するには資源の観点から課題がある．あり(26) ，現在もまだ完全な結論には至っていない．例えば

りふれた軽元素を用いて，巨大 Rashba 効果やトポロジカル

FeSi は高温で大きな帯磁率を示し， Fe あたり数 Bohr 磁子

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


図3

(a)［111］方向から見た FeSi のキラルな結晶構造．(b)
実験で用いた FeSi 薄膜試料の概略．( c )スピン軌道相
互作用を考慮した FeSi のバルクバンド． (オンラインカ
ラー)の大きな磁気モーメントが存在することが示唆されてい

図4

FeSi 薄膜の電気伝導特性．(a)様々な膜厚の試料における電気抵抗率 rxx の温度依存性．( b )各温度におけるシートあたりの電気伝導度 ssheet
xx ＝ t / rxx の膜厚依存性．傾きは膜厚に比例するバルクのシート伝導度 s3Dt に対応
し，切片は膜厚に依存しない表面のシート伝導度 s2D に対応する．(c)表面金属状態がある場合とない場合のシート伝導度の膜厚依存性の振舞いを表した模式図． (オンラインカラー)る(27) ．またバンドギャップよりもかなり低い温度( 200 K )で絶縁体から金属にクロスオーバーする(28)．(温度上昇過程
において絶縁体金属転移を起こす．） 本研究結果とは直接の知られていた FeSi に面直磁気異方性を示す強磁性状態が存関係はないが，指摘されてきた強相関効果とトポロジカル表

在していることがわかった．さらに抵抗率の場合と同様に，面状態の関連はとても興味深い課題である．いずれにせよ，

物質固有の値であるはずのホール伝導度 sxy と磁化 M が膜

FeSi の基底状態は非磁性絶縁体である．

厚に対して大きく変化しており，強磁性状態が表面にのみ存

本研究では，電気伝導特性や磁化特性，偏極中性子反射率

在していることが示唆された．シートあたりの物理量に直し測定といった実験手法を組み合わせることによって FeSi 表て同様の解析を行うと，膜厚が 5 nm から60 nm に 1 桁以上

面状態を明らかにした．図(a)は様々な膜厚の FeSi 薄膜が変化しているにも関わらず磁化の大きさがほぼ一定となり，示す抵抗率 rxx の温度依存性を表している．本来，物質固有

非磁性バルクの表面に強磁性状態が発現していることが確かの値であるはずの抵抗率が膜厚を厚くするほど大きくなってめられた．ここで， FeSi の表面にのみ強磁性磁化が存在しいる．これは表面に金属伝導状態が表れていることを示唆しているため，磁化の総量が少なく，磁化測定では精度が出てている．図 4( c )に模式的に示したように，表面に金属状態いないためホール抵抗率のデータと完全には一致していない．

がない通常の物質であれば，膜厚を薄くして電流が流れる断さらに，偏極中性子反射率測定によって表面強磁性磁化の面積を小さくしていくと，電気の流れやすさであるシートあ

分布を直接観測することに成功した．薄膜面に平行にスピンたりの電気伝導度 ssheet
xx ＝t/rxx も単調に減少し，膜厚 t＝0 の偏極させた中性子線を小さな入射角で照射すると，中性子線極限では伝導度も 0 になる．一方で，表面にバルクと異なは原子核からの散乱だけではなく，磁気モーメントからも散る伝導状態が発現する場合，膜厚に依存しない表面の寄与が乱を受けるため，屈折率が磁化方向によって変化する．この常に存在するため，伝導度を膜厚 t ＝ 0 の極限に外挿すると中性子線の屈折率変化を利用することで，磁化が膜厚方向に表面の 2 次元伝導成分に対応する有限の値が現れることがどのように分布しているかを特定することができる．実際は期待される．実際に FeSi の抵抗率をシートあたりの伝導度

図( a )のように，外部磁場 H∥ によって磁化の方向を面内に変換し，膜厚に対してプロットすると，バルクの電気伝導に強制的に倒し，中性子線のスピン偏極の向きを磁場に対し率を表すグラフ傾き s3D だけではなく，表面伝導を示す有限て平行にした場合と反平行にした場合の中性子線の反射率の切片成分 s2D が観測される．

( R＋ と R－ )の違いをモデルフィットすることで，膜厚方向

またホール伝導測定や磁化測定，偏極中性子反射率測定にの散乱長密度を算出できる(29)．

よって，表面に強磁性状態も共存していることを明らかにし

図 6(b),(c)は FeSi 薄膜における偏極中性子線の反射率ス

た．図(a),(b)は様々な膜厚の FeSi 薄膜におけるホール伝

ペクトル( R＋ と R－ )とモデルフィットで得られた散乱長密導度 sxy と Fe 原子あたりの磁化 M の磁場依存性の測定結果

度の結果である．中性子線のスピン偏極方向によって反射率である．磁化は SQUID 技術(Quantum Design 社 MPMS 装

スペクトルが異なり，磁化によって屈折率変化が生じている

置)により測定している．驚くべきことに，非磁性体としてことを表している．実際にモデルフィットの結果も，膜厚方




最近の研究

図5

FeSi 薄膜の磁気伝導特性と磁化．(a), (b)様々な膜厚の試料におけるホール伝導度 sxy と Fe あたりの磁化 M の
磁場依存性．様々な膜厚の試料におけるの磁場依存性．( c),( d)各温度におけるシートあたりのホール伝導とシートあたりの磁化 M sheet の膜厚依存性．ど度 ssheetxy
ちらもほぼ膜厚に対して一定の値を示していることか
ら，表面にのみ強磁性磁化が発現していることがわかる．(オンラインカラー)
図6

向の元素分布の違いを表す核散乱長密度以外に， FeSi とキ
ャップ層 MgO との界面に明瞭な磁気散乱長密度が観測された．結晶表面粗さを考慮して，表面強磁性層の厚さを見積もると，約0.35 nm という 3 原子層程度の限られた厚さに強磁FeSi 薄膜における磁化分布測定のための偏極中性子反射率実験．( a )実験セットアップの概略．＋/－方向にスピン偏極させた中性子ビームを低角入射したときの反射率( R＋ / R－ )を測定する．外部磁場 1 T を薄膜面内に印加し，強磁性磁化を磁場方向に強制的に倒している．( b )中性子反射率スペクトル．( c )反射率スペクト
ルをモデルフィットして得られた核散乱長密度と磁気散乱長密度．強磁性磁化が FeSi と MgO の界面にのみ存在していることがわかる．(オンラインカラー)

性磁化が存在していることがわかった．
FeSi の特徴的な表面状態を明らかにするために， FeSi ス

ラブに対してスピン軌道相互作用を考慮した第一原理計算を

回対称性を反映したスピン軌道相互作用に起因している(30)．

行った．図( a ) , ( b )は常磁性状態におけるバンド構造とス

また B20型構造の(111)面は 4 種類の終端が存在し，どのピン偏極した Fermi 面を表している．バルクバンドはエネ

終端が実際に安定であるかは直接観測が必要である．ここでルギーギャップが開いた絶縁体状態であるが，太線で示したは Fe が密な原子層が最表面となる場合を紹介しているが，表面バンドは Fermi 準位を横切る金属状態となっている．

異なる終端の場合の計算結果については文献( 13 )を参照さ

特に G̃ 点まわりにおいて Rashba 分裂に特徴的なスピン分裂

れたい．

が見られ，その大きさは重元素が不在にも関わらず約 35

実験的にもこの特徴的なスピン偏極を観測することができ

meV にも及ぶ．また実際に Fermi 面上のスピンは大まかにる．前述の通り，Rashba スピン分裂した電子状態に電流を渦状に偏極していることがわかる．また表面の電子軌道を可流すと，電流の方向に従ってスピン蓄積が生じる(Edelstein

視化すると，表面の原子核位置から変位して浮き上がったよ効果)．この状態にさらに外部磁場を印加すると蓄積スピン

うな分布を形成していることがわかる(図 7(c))．これは Feと磁場との相互作用が働き，磁場によって伝導度が変化すと Si の原子間に広がった共有結合軌道(図 7(d))が表面におる(31)．単純な描像では，蓄積スピンの向き(磁気モーメント

いて切断され，電子軌道が表面においても原子核位置から外と逆方向であることに注意)と外部磁場の向きが平行である

れた位置に存在していることによる．このような双極子状の時は，反平行の場合と比べて Zeeman エネルギーを損する

電荷分布(表面分極 P )が表面に強いポテンシャル勾配をもため，磁場はスピン蓄積を阻害するように働く．すなわち，

たらし，巨大な Rashba 効果を引き起こす起源となっている．

磁場によって抵抗率が高くなる．このように磁場の存在下

ここで表面 Fermi 面のスピン分極を詳しく見てみると，で，電流を流す方向(正負)によって抵抗率が変化する「一方Rashba 型の渦状スピン偏極以外にも，運動量に対して反対

向性磁気抵抗効果(UMR)」が生じる．これは反対称的 SOC

称的なスピン偏極状態が重畳している．これらの寄与を分解の帰結と言える．そして，磁場方向を回転させて UMR 測

すると，図 7( e )のようにスピンが動径方向を向いたスピン

定を行うことで，電流方向のスピン偏極の向きを特定するこ

偏極と 3 回対称の面直スピン偏極も共存していることがわとができる(32) ．電流誘起スピン蓄積を決定する最も大きなかる．それぞれの寄与は，キラルな結晶構造と(111)面の 3

Fermi 面を図( a )に示した．電流を± kx 方向に流した時の

ま て り あ 第61巻 第10号(2022)
Materia Japan抵抗率の差 Drxx＝rxx(J∥＋kx)－rxx(J∥－kx)を，電流に対して垂直面内において磁場方向を回転しながら測定すると，図8(b)ようになると期待される．すなわち，Rashba 型渦状ス

ピン偏極と 3 回対称の面直スピン偏極の重ね合わせ状態に由来して，蓄積スピンの向きが y 軸方向から z 軸方向に傾いていることを検出することができる．実際の測定結果も，図8(c)に示すように，図 8(b )の期待通りの磁場角度依存性を検出することができており，計算で予測されたスピン偏極状態を検出することができた．
ここで，UMR 測定手法と測定結果についていくつかコメントする．まず，電流方向に対する抵抗率差 Drxx は 2 次高調波測定によって見積もった．低磁場かつ低電流の範囲では，
UMR は磁場と電流の両方に対して線形に増大する( Drxx ＝

gã HJ)．そのため交流電流 J0 sin (2pft)を入力すると出力電圧
1に 2 次の非線形応答が現れる(V x2f＝ DrxxJ＝ 2 gã HJ20 sin (4pft2f ］を測定－ p / 2 ))．今回は 2 次の非線型抵抗の虚部 Im ［ rxxすることによって UMR を評価している．次に，キラル結晶構造に由来した動径方向のスピン偏極は観測されなかった．これは，薄膜に左手系と右手系のキラルドメインがほぼ
図7

FeSi 薄膜表面の電子・スピン状態．(a),(b)FeSi スラブ(常磁性状態)のバンド構造とフェルミ面のスピン偏極
状態．バンド構造における線の太さは表面原子からの寄与の大きさを表している．(c), (d)可視化した表面状
態の電子軌道とバルクの電子軌道．模式的に切断を表しているが，実際の(111)面は対角方向に切断が生じている．一方で， FeSi の場合はどの結晶表面でも同様の強磁性金属状態が期待できることにも注目されたい．
(e)フェルミ面におけるスピン偏極の模式図． (オンラインカラー)同じ割合で存在しているために，動径方向に対して内向きと外向きのスピン偏極が共存しており，互いに打ち消しあってしまったと考えている．最後に，強磁性磁気転移温度(TN～200 K )以下においては UMR 効果が観測されていない．これは，交換分裂によってスピンがほぼ磁化方向に揃えられ，反対称的なスピン偏極が摂動的にしか重畳されていないこと
により， UMR を測定するような低電流密度( J ～ 1 × 108 A /m2)では電流方向に対して反対称なスピン蓄積を十分に引き起こすことができず，小さな信号を検出できなかったためであると考えている．
このような UMR 効果はいわゆる整流効果であり，ダイ

図8




FeSi 表面スピン偏極の一方向性磁気抵抗効果( UMR )による検出．( a )表面スピン偏極の模式図と実験セットアップの概略．(b)期待される UMR の磁場角度依存性の振舞い．(c)実験で得られた UMR の磁場角度依存性．通常の Rashba 型スピ
ン偏極であれば，スピンは表面と平行な面内方向を向くために，オフセット角 u0 は 0 となるが，(111)面の 3 回対称性を反映したスピン軌道相互作用によってスピン偏極が変調され，u0 が有限の値を示している．(オンラインカラー)

最近の研究オードの性能には匹敵しないものの，物質の対称性を利用しが働き，図 9( a )の青矢印のように磁化が回転する．外部磁ているため pn 接合を作製する必要はなく，さらに外部磁場場を印加しているのは，トルクによって磁化が回転し続けるによって自在に整流性を制御することができる(33) ．近年でことを防ぎ，特定の方向で磁化の回転を止めるためである．

は対称性制御に基づいた様々な UMR 効果が発見されておUMR 測定では電流誘起のスピン蓄積 Sy が観測できなかっり，超伝導スイッチングなど新たな物性機能開拓に繋がってたが，電流密度を 3 桁大きくしたことにより強磁性磁化成いる(34)．

分に埋もれていた Rashba 型スピン偏極が顕在化し， SOTが働くようになったと考えられる．

.

電流による FeSi 表面磁化スイッチング

今回観測された電流誘起磁化反転現象は FeSi 表面で完結しており，これは資源や製造コストの観点からも重要であ

強磁性磁化状態と巨大な Rashba 効果が共存する FeSi 表る．磁性層にも希少金属が使われていないだけではなく，通面において電流による磁化スイッチングを実現した．図常の SOT 方式 MRAM で使用される希少な重金属の接合層(a )のように弱い外部磁場(この例では 0.02 T )を電流と平行が必要ない．これは，他の磁性金属とは異なり，重金属を接方向に掛けた状態において，大きなパルス電流(パルス幅

合させなくても FeSi 表面状態が既に巨大な Rashba 効果を

0.11 ms)を印加することでどのように磁化状態が変化したの有しているためである．室温での安定動作や省電力化に向けかを低電流密度(約1×109 A/m2)のホール抵抗測定によってて磁気転移温度の上昇や閾電流密度の抑制といった課題はあ検出した．図 9(b )は，横軸をパルス電流密度の大きさ，縦るが，本結果はありふれた元素の化合物でも強 SOC 物性を軸をパルス電流印加後に測定したホール抵抗率(磁化の向き実現できる可能性を切り開いたと言え，今後の物質開拓が期に対応)を表したグラフである．パルス電流密度 Jpulse を増加

待される．

させていくと， 1.6 × 1011 A / m2 のあたりでホール抵抗が正から負に符号変化し，磁化の向きが反転したことがわかる．

.

まとめと展望同様にパルス電流密度 Jpulse を減少させ逆方向に大きな電流を流すと，－ 1.6 × 1011 A / m2 において反転された磁化の向情報社会の急速な発展に伴い，高性能，省エネルギー，省きが元に戻ることがわかった．この磁化反転は電流によって資源，低環境負荷な半導体デバイスの開発が求められている

何度も繰り返し引き起こせることができる．実際に閾電流密中で，トポロジーの概念に基づいた新物質の開拓がブレーク度| Jpulse |＝ 1.6 × 1011A / m2 以上のパルス電流を図 9 ( c )のよ

スルーを起こす可能性がある．トポロジカル物質の秘める省

うに正負の任意の方向に流し(図中の垂直線に対応)，同様に電力特性や安定動作，簡易実装の可能性は魅力的である一方

磁化方向を低電流密度のホール抵抗測定(図中の三角に対応)

で，資源・環境の観点から希少重元素の含有は実用化に向けによって検出すると，図 9(d )のように磁化上下方向を再現

た大きな障壁となっていた．本稿で紹介した FeSi における性良く制御することができた．

スピンオービトロニクス機能の実現，特に重元素接合を必要

FeSi 表面における磁化反転機構はダンピング型 SOT に由としない電流誘起磁化反転現象は，従来の常識となっていた来している．支配的な Rashba 型のスピン分裂に由来し， x「スピントロニクス・トポロジカルエレクトロニクスにおけ方向の電流を流すと y 方向のスピン蓄積 Sy が生じる．磁化

る重元素固有の強 SOC の必要性」を打ち破る発見である．

M との相互作用の結果，磁化に tDL ∝ M ×( Sy × M )の SOT

重要な要素となっているのは，比較的原子番号の小さな元素

図9

FeSi 表面磁化の電流によるスイッチング．( a )実験セットアップ．磁場( 0.02 T )と電流を x 方向に印加し，ダンピング型
SOT によって磁化 M が回転する．(b)電流パルス Jpulse を入力した後に測定したホール抵抗率 ryx．閾電流値以上でホール抵抗率の符号が反転しており，電流による磁化反転現象が確認された．(c),(d)大電流パルスによって自在に磁化方向を制御した結果．(オンラインカラー)

ま て り あ 第61巻 第10号(2022)
Materia Japan

の化合物においても，表面の電子軌道分布をデザインする(表面分極を大きくする)ことによって，巨大 Rashba 効果に必要なポテンシャル勾配を作り出せることにある．特に，この表面分極は Zak 位相というトポロジーの概念と密接に関係しており(35)(38) ，物質設計によって電子の幾何学的位相をどう操るかが鍵となっていることがわかってきた． FeSi
におけるトポロジカル表面状態の発現と強 SOC 物性の発見をきっかけとして，様々な軽元素化合物におけるトポロジカ
ル物質の開拓に繋がることを期待したい．
本稿で紹介した FeSi に関する研究は，東京大学物理工学
専攻の大塚悠介氏(当時修士課程)，松井彬氏(当時修士課
程)，野本拓也博士，有田亮太郎教授，茂木将孝博士(当時博士課程)，市川昌和教授，川o 雅司教授，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博士，Paul Scherrer Institute の Victor Ukleev
博士，日本原子力研究開発機構 JPARC の青木裕之教授，
東北大学金属材料研究所の藤原宏平准教授，塚o敦教授，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との共同で行われました．また日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金(JP20H01859, JP20H05155, JP20H01867)，
科 学 技 術 振 興 機 構 ( JST ) 創 発 的 研 究 支 援 事 業 FOREST( JPMJFR2038 ) ， 戦 略 的 創 造 研 究 推 進 事 業 CREST(JPMJCR1874, JPMJCR16F1)による支援を受けています．

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金澤直也
2014年 3 月 東京大学大学院工学研究科博士課程修了
2014年 4 月 東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻 助教
2018年 6 月現職
専門分野物性物理学◎バルクや薄膜試料合成や電気・熱輸送特性測定，中性子散乱法などを組み合わせて，トポロジカルな特徴を持つ新しい電子状態・磁性の開拓を研究している．

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金澤直也

平山元昭

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