ファンデルワールス磁性体

ファンデルワールス磁性体（ファンデルワールスじせいたい、van der Waals magnet）、vdW磁性体は、層状結晶構造を持ち、各層が主としてファンデルワールス力によって結合している磁性体である。層間結合が弱いため、機械的剥離法により単層または数層の薄膜を作製でき、二次元極限においても磁気秩序を示す。2017年に単層での強磁性が実験的に報告され、二次元磁性研究の主要分野として急速に発展した。

 構造 
vdW磁性体は、層内では強い共有結合またはイオン結合によって安定化されている一方、層間は弱いファンデルワールス相互作用で結合している。そのため、グラフェンと同様にテープ剥離法によって原子層レベルの薄膜を得ることができる。代表的な結晶構造にはハニカム格子型（）や層状三角格子型（）などがある。

 背景理論 
理想的な等方的二次元ハイゼンベルク模型では、有限温度で長距離磁気秩序は存在しないことがにより示されている。しかし実際の物質ではスピン軌道相互作用に由来する磁気異方性が存在し、これが熱揺らぎを抑制することで二次元においても磁気秩序が安定化する。

多くのvdW磁性体は異方的XXZ模型で記述される。

ここで  は交換相互作用定数、 は異方性係数である。 の場合は等方的ハイゼンベルク模型となり、 の場合はイジング模型に近づく。

ホルシュタイン–プリマコフ変換による線形スピン波理論では、異方性により有限のスピン波ギャップが開くことが示される。 におけるスピン波ギャップ（約0.3–0.6 meV）は中性子散乱実験により観測されている。

代表的なvdW磁性体における交換相互作用および磁気異方性エネルギーの実験値・報告値の一例を以下に示す。数値は中性子散乱・第一原理計算・磁化測定に基づく代表値であり、試料条件により変動する

+ 代表的vdW磁性体の実験値（代表例） 物質 キュリー温度 Tc  約45 K  約30 K  100–300 K（試料依存）

 代表的物質 
単層強磁性が初めて報告された物質は  および  である。は絶縁体型強磁性体であり、単層では面外方向に磁化を持つ。はは比較的高いキュリー温度と金属的性質を持ち、キャリア濃度やゲート電圧による磁性制御が可能であることが示された。

 層間相互作用 
では、単層は強磁性であるが、二層では層間反強磁性秩序が出現することが報告されている。この層間交換相互作用  は電場により変調可能であり、磁気秩序の電気的制御が可能である。

 vdWヘテロ構造 
vdW磁性体はグラフェンやトポロジカル絶縁体と積層可能であり、近接効果により非磁性層に交換場が誘起される。グラフェン/ヘテロ構造では巨大トンネル磁気抵抗が観測されている。また、薄膜と二次元強磁性体の薄膜を重ねたヘテロ構造の界面には「フェロバレー強磁性」という新たな状態が観測されている。

 異常ホール効果 
金属的vdW磁性体では異常ホール効果が観測される。 では強い異常ホール効果およびゲート制御可能な磁性が報告されている。

 応用と課題 
二次元スピントロニクス、磁気トンネル接合、量子デバイスへの応用が期待される一方、多くの物質でキュリー温度が室温未満であること、大気中で不安定な物質が多いことが課題である。室温動作可能な材料の探索およびエピタキシャル成長技術の確立が、今後の重要な研究課題とされている。

 脚注 

 参考文献 





 関連項目 
 ファンデルワールス力
 ファンデルワールス結晶
 磁性体
 スピントロニクス

Category:ヨハネス・ファン・デル・ワールス
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