研 究 紹 介

丸文研究奨励賞 受賞者

丸文研究奨励賞受賞者

レデゥック

アイン

Le Duc Anh

図2 FeドープIII-V FMSを含むヘテロ構造における磁気近接効果

東京大学 工学系研究科 准教授

図3 世界最高品質をもつトポロジカル・ディラック半金属α-Snの実現

鉄系III-V族強磁性半導体とその異種材料との複合化による機能開拓

次世代量子エレクトロニクスに向けた半導体融合材料プラットフォームの創成に加えて「超伝導」や「トポロジカル物性」など（Ga,Fe）SbではFe濃度が23%以上、N型複数の量子状態を同時に半導体材料に融合

FMS（In,Fe）SbではFe濃度が16%以上で、情報化社会の持続的発展のために、既存し制御することは非常に困難であり、実現する

I I I - V 族では初めてキュリー温 度 cが室 温の電子情報機器を飛躍的に高機能化、低消ために材料科学技術のブレークスルーが必要（300K）を超える半導体材料を実現した（図

費電力化、高集積化、さらに量子演算のようなである。

1）。

研究の背景

FMSの強磁性は磁性不純物（Fe）と伝導を新方式を実現することが常に求められている。
このような変革を成し遂げるには、従来の半導研究の成 果体材料にはない「強磁性体の不揮発性」、「超伝導体の無散逸性」、「トポロジカル物質の誤1. 半導体を強磁性にする：FeドープIII-V族（a）
非磁性半導体InAs層中の電子キャリアの波動関数は隣接するFMS（Ga,Fe）
Sb層に空間的に浸み出す（四角い破線部分）。これによってInAs量子井戸全体に（Ga,Fe）Sbからの磁気近接効果が発生する。
（b）外部磁場の印加方向を回転して巨大磁気近接効果を観測した。
β
回転およびγ回転では80%にも達する。
（ｃ）電気抵抗は外部磁場（z方向）の向きを反転させると27％も変化し、巨大な奇関数磁気抵抗効果が発生。

（a）
α-Sn薄膜に歪を加えると、トポロジカル絶縁体あるいはトポロジカル・ディラック半金属（バンド構造に3次元のディラック・コーンが存在する）となる。
また、厚さ数十nm以下に薄膜化された試料ではα-Sn薄膜は２次元トポロジカル絶縁体になる。
（b）
作製したα-Sn薄膜には完璧なダイアモンド型単結晶構造が得られた。
（ｃ）
α-Sn薄膜において明瞭なシュブニコフ・ド・ハース振動が観測された。量子移動度は先行研究に比べて約10倍も高い（この材料では最高値）。

担うキャリア（電子、正孔）とのs,p-d交換相互作用によって誘起される。これにより、FMSで非常に有望である。図2aの二層ヘテロ構造導を示すβ-Snへの相転移を起こし、トポロジカしいデバイスへの応用が期待される。
「超伝は半導体の伝導帯や価電子帯が大きくスピンでは、外部磁場によってInAsの抵抗が80%もル物質/超伝導体からなる面内ヘテロ構造の導」「 強磁性」「トポロジー」を同時に半導体にり耐性」のような「新しい機能」を創出し、半導狭ギャップ強磁性半導体の開発分裂することが期待されるが、これまでFMSで変化する巨大近接磁気抵抗効果および磁場作製に成功、これによってナノ寸法の超伝導融合できれば、非可換統計性を持つマヨラナ体の有用な特長と融合する「量子材料変革」

我々は従来のFMSの問題点を解決するたはスピン分裂が明瞭に観測された例はなかっの向きによって抵抗が大きく変わる奇関数磁細線やJosephson接合構造を自在に作製すフェルミオン（Majorana fermion）状態が生が重要かつ挑戦的な課題となっている。1990

めに、低温分子線エピタキシー（Molecularた。我々はトンネル分光法を用いてN型FMS気抵抗効果という２つの新しい磁気抵抗現象る画期的な新方法を発明した。この手法で作成され、強い誤り耐性を持つトポロジカル量子年代から、半導体中に強磁性秩序と磁性関

beam epitaxy, MBE）成長法を用いて新しい（In,Fe）Asの伝導帯で巨大な自発的スピン分【7】。
を発見した（図2b、c）
これらの磁気抵抗効製したSnベース超伝導細線において電流方計算の実現にも期待が高まる。このように、本連機能を融合する材料として、強磁性半導体

FeドープIII-V族強磁性半導体を開発してき裂（30-50meV）
をFMSでは初めて明瞭に観果は高感度磁気センサや新型スピントランジス

向によって超伝導臨界電流が69％も変化す

研究は、将来の半導体産業の活性化および（Ferromagnetic semiconductor, FMS）がた。FeはIII-V族半導体中の中性不純物となる測した【5】。
さらに、（In,Fe）Asを含む量子井戸タへの応用が期待される。

る巨大な超伝導ダイオード効果を観測した。こ量子情報科学の発展に大きく寄与する可能研究され多くの関心を集めてきた。
しかし、既存ため、従 来 不 可 能であったN 型 の F M S；

構造において、二次元電子キャリアの波動関

さらに、2018年からFeドープFMSにおけるのようにFMS上に「超伝導」「トポロジー」の物性を秘めている。のFMSでは、①N型が欠けている、②強磁性（In,Fe）As【1】と（In,Fe）Sb【2】の作製に初めて数を電界で制御することにより、初めて1ピコ秒超伝導近接効果の研究をはじめ、N型FMS性機能を融合することにより、量子情報回路への応用が期待される【9】。

転移温度は室温より遥かに低いなど、デバイス成功し、これらは電子キャリアによって強磁性以下の超高速の磁化制御を実現した。また、（In,Fe）Asを超伝導金属（Nb）と接合させるこ応用を阻む問題点を抱えていた。
さらに、FMSが誘起される半導体であることを示した。一方、本手法では従来のキャリア濃度変調による磁とより、FMS中に1μmもの長い距離でスピンでは母体の非磁性半導体に大量（1〜20%）

P型FMS（Ga,Fe）Sb【3】と（Al,Fe）Sb【4】の作化制御法に比べて10-6倍も低い消費電力で三重項超伝導電流を流せることを実証し、初の磁性不純物を添加する必要があるため、結製にも成功した。さらに、我々はFeドープ狭磁性変調できることを実証した【6】。この新しいめて半導体の中に「強磁性」と「超伝導」を同晶性、キャリアのコヒーレンス性、バンド構造のギャップFMSは理論予測を覆すほど強い交換磁化制御法はCMOS技術にも整合しているた時に融合することに成功した【8】。この結果は、室温で強磁性を示すN型およびP型のFe究員、小林正起准教授、同大学物性研究所・劣化が避けられない。その状況では「強磁性」相互作用を有することを見出し、P型FMS

め、今後の超高速情報処理に繋がると期待さ

超低消費電力のスピン電子デバイスや量子情ドープFMS材料を実現し、さらにFMS層と勝本信吾教授研究室、松田巌教授研究室、れる。

報演算への応用が期待される。

様々な異種材料（超伝導体、トポロジカル物

東京工業大学・ファムナムハイ准教授、東北質）とのヘテロ構造を作製することにより、非大学・千葉貴裕助教、福島高専・小田洋平准

2.「近接効果」を用いてFeドープ強磁性半導体

3.「半導体上のトポロジカルプラットフォーム

常に豊かな新しい物性機能を創成できること

教授をはじめ、数多くの研究グループ・研究者となるα-Sn」の開発に成功を示した。今後、これらを用いた高感度の量子のご協力を得て行われました。共同研究者の計測や電力を消費せず情報処理が可能な新皆様のご支援に深く御礼を申し上げます。

図1 新規FeドープIII-V強磁性半導体（FMS）の創製上に超伝導・強磁性・トポロジーを融合（ a ）我々がMBEで成長した（Ga,Fe）Sb（ P型）、（ In,Fe）As、（ In,Fe）Sb（ N型）の透過型電子顕微鏡による結晶格子像。
III-V族半導体の閃亜鉛鉱型結晶構造がきれいに維持される。
（b）
FeドープFMSのキュリー温度はFe濃度の増加と共に上昇し、（In,Fe）
Sbと（Ga,Fe）
Sbでは室温で強磁性を示す。

一方、同一半導体中に「超伝導」「強磁性」

ダイアモンド型結晶構造をもつα-SnはIII-V「トポロジー」の複数の量子状態を融合するた族半導体InSbやFMS（In,Fe）Sbに整合し、トめに、我々は磁性元素添加を必要としない強ポロジカル絶縁体、トポロジカルDirac半金属、磁性半導体の新しい実現方法を考案・実証しトポロジカル超伝導など、多くのトポロジカル相た。図2aに示す（Ga,Fe）Sb/InAsからなる二へ転移できる材料として注目される（ 図3 ）。

層ヘテロ構造において、FMS（Ga,Fe）Sbから我々は半 導 体 I n S b 基 板 上およびとF M Sの磁気近接効果を用いて非磁性半導体InAs（In,Fe）Sb上に世界最高品質と移動度（〜に18meVという大きなスピン分裂を無磁場で30000cm 2 /Vs）を持つエピタキシャルα-Sn引き起こし、その大きさをゲート電圧で変調する薄膜をMBE成長し、そのトポロジカル物性を明ことに成功した【7】。この構造中の非磁性InAsらかにした【9】。
さらに、α-Sn薄膜面内の任意の層は、「 強磁性」と「トポロジー」を融合するため位置に集束ビームを照射することにより超伝謝辞
本研究は東京大学・田中雅明教授および将 来の展望

田中研究室のメンバー、同大学スピントロニク
ス学術連携研究教育センター・吉田博上席研References（参考文献）【1】P. N. Hai, L. D. Anh et al., Appl. Phys. Lett. 101, 182403（2012）; P. N. Hai, L. D. Anh and M
Tanaka, Appl. Phys. Lett. 101, 252410（2012）. 【2】N. T. Tu, P. N. Hai, L. D. Anh, M. Tanaka, Appl.
Phys. Express 11（6）, 063005（2018）; Appl. Phys. Lett. 112, 122409（2018）. 【3】N. T. Tu, L. D.
Anh et al., Appl. Phys. Lett. 108, 192401（2016）. 【4】L. D. Anh, D. Kaneko, P. N. Hai, M. Tanaka,Appl. Phys. Lett. 107, 232405（2015）. 【5】L. D. Anh, P. N. Hai and M. Tanaka, Nature Commun. 7,13810（2016）. 【6】L. D. Anh et al., Adv. Mater., 35 2301347（2023）. L. D. Anh et al., Phys. Rev B92, 161201（2015）. 【7】K. Takiguchi+, L. D. Anh+ et al., Nature Phys. 15, 1134
（2019）（+:co-firstauthor）; K. Takiguchi, L. D. Anh et al., Nature Commun. 13, 6538
（2022）. 【8】T. Nakamura, L. D.
Anh, et al., Phys. Rev. Lett. 122, 107001（2019）. 【9】Le Duc Anh, et al. Adv. Mater., 33, 2104645（2021）; K. Ishihara, L. D. Anh et al., arXiv:2308.00893.