2025年7月5日

理化研究所

早稻田大學(xué)

科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)

住友化學(xué)株式會社

室溫下發(fā)現(xiàn)強相關(guān)電子材料依賴于電流方向的電阻變化

-全面理解手性磁性體中的非互易電荷輸運-

理化學(xué)研究所(理研)創(chuàng)發(fā)物性科學(xué)研究中心強相關(guān)物質(zhì)研究組高級研究員、田口康二郎組總監(jiān)(最先進(jìn)研究平臺合作( TRIP )事業(yè)總部強相關(guān)材料環(huán)境設(shè)備研究小組副隊總監(jiān))、 強相關(guān)理論研究小組總監(jiān)永長直人(最先進(jìn)研究平臺合作( TRIP )事業(yè)總部基礎(chǔ)量子科學(xué)研究計劃總監(jiān))、早稻田大學(xué)理工學(xué)術(shù)院先進(jìn)理工系的望月維人教授、李慕恩講師等聯(lián)合研究組是，手性結(jié)構(gòu)^[1]的磁性體的電阻在室溫下依賴于電流方向而變化。

期待本研究成果能為利用自旋和電子相關(guān)的信息控制的基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

聯(lián)合研究小組認(rèn)為，即使在電流和電壓沒有簡單比例關(guān)系的“非線性電荷輸送現(xiàn)象”中，也會帶來整流效果非相反^[2]具有手性結(jié)構(gòu)的磁性體“Co”備受期待₈Zn₉Mn₃(鈷、鋅、錳的合金)”，成功地在包括室溫在內(nèi)的廣泛溫度范圍內(nèi)觀測到了非相反電荷輸送現(xiàn)象。 此外，還成功地分離了在不同溫度磁場條件下產(chǎn)生的兩種非相反電荷輸運現(xiàn)象。 通過對這兩種現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，明確了具有手性結(jié)構(gòu)的磁性體中的非互易電荷輸送現(xiàn)象是由取決于兩個自旋(電子的"自轉(zhuǎn)" )之間的相對角度大小的自旋散射和伴隨圓錐狀自旋排列的電子的非對稱的能量狀態(tài)這兩個主要因素所表現(xiàn)出來的

本研究根據(jù)科學(xué)雜志《方案高級》刊登在了在線版( 7月4日:日本時間7月5日)上。

首席執(zhí)行官₈Zn₉Mn₃中有助于非相反電荷輸送現(xiàn)象的2種成分的溫度依賴性

背景

我們身邊有各種各樣的用電的機器。 其基本原理之一是“電流越大，電壓也成比例地增大”的歐姆定律。 這是初中學(xué)習(xí)的最基本的電氣物理學(xué)定律。 但是近年來，人們越來越關(guān)注電流和電壓不成比例的“非線性”響應(yīng)，而不是這種比例關(guān)系。 這個非線性現(xiàn)象^[3]產(chǎn)生使電只向一個方向流動的“整流作用”和增大微弱信號的“放大作用”，成為高性能半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵。

到目前為止，這種作用是由不同的材料組合而成的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)^[4]雖然已經(jīng)通過實現(xiàn)了，碳中和社會^[5]的實現(xiàn)等觀點來看，正在尋求更小型且能效更高的電子器件。 因此，通過使用單一材料的單純結(jié)構(gòu)來發(fā)揮同樣效果的材料探索，正在成為世界性的研究潮流之一。

本研究在眾多非線性現(xiàn)象中，關(guān)注了被稱為“非相反電荷輸送現(xiàn)象”的獨特現(xiàn)象。 這種現(xiàn)象，空間反轉(zhuǎn)對稱性^[1]對于具有破壞的“手性結(jié)構(gòu)”的物質(zhì)，時間反轉(zhuǎn)對稱性^[6]被期待通過施加破壞的磁場來出現(xiàn)。

迄今為止，在具有幾種手性結(jié)構(gòu)的磁性體中也觀測到了非相反電荷輸送現(xiàn)象，但存在著主要在室溫附近發(fā)生現(xiàn)象的應(yīng)用中沒有發(fā)現(xiàn)容易結(jié)合的物質(zhì)，以及磁性體中的自旋結(jié)構(gòu)和非相反電荷輸送現(xiàn)象的關(guān)系不太清楚等問題

研究方法和成果

因此，聯(lián)合研究小組決定“Co₈Zn₉Mn₃我們注意到一種特殊的金屬材料:“(鈷鋅錳的合金)”。 該合金通過調(diào)整組成中錳量，螺旋磁性有序^[7]因為容易變更引起的溫度，所以我認(rèn)為這是探索室溫下發(fā)生的非相反電荷輸送現(xiàn)象和闡明其表達(dá)機制的最佳素材。

該材料如圖1(a )所示，決定磁狀態(tài)的鈷原子在晶體中形成了手性結(jié)構(gòu)(向左/右向任意一個扭曲的原子的排列)。 通過該結(jié)構(gòu)與外部施加的磁場的組合，可以期待產(chǎn)生電流的流動方式因方向而異的非相反電荷輸送現(xiàn)象(圖1(b ) )。 而且，該材料的特征在于，不僅是原子位置的手性配置，電子所具有的自旋也在磁場中排列成圓錐(圓錐)狀的手性排列(圓錐自旋排列)。 因此，弄清楚與原子位置相比容易自由控制的自旋的排列結(jié)構(gòu)本身對非互易電荷輸送現(xiàn)象有何影響是本研究的一大重點。 這是“自旋電子學(xué)^[8]”可以應(yīng)用的、磁和電的運動相互影響的“交叉相關(guān)現(xiàn)象^[9]”的一個例子。

此次，為了高精度地觀測非互易電荷輸送現(xiàn)象，聯(lián)合研究小組將比頭發(fā)還細(xì)的幾微米( m、1 m為百萬分之一米)的微小試樣(圖1(c ) )聚焦離子束^[10]用技術(shù)制作的。 在此通入高密度電流，詳細(xì)測量了非線性且非相反的電氣響應(yīng)。

圖1 Co₈Zn₉Mn₃的非互易電荷輸運現(xiàn)象研究理念

( a )首席執(zhí)行官₈Zn₉Mn₃的晶體結(jié)構(gòu)。 決定磁狀態(tài)的鈷原子( Co )在晶體中形成了手性結(jié)構(gòu)。 ( b )示意性地表示與施加磁場的試料平行流動的電流的大小因方向而異的非互易性。 對于手性磁性體，自旋呈圓錐(圓錐)狀排列(圓錐自旋排列)時顯示的非互易性在本研究中從實驗理論的兩個方面進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查。 ( c )實驗中使用的微小試樣的電鏡圖像。

實驗結(jié)果是二氧化碳₈Zn₉Mn₃中根據(jù)不同的溫度和磁場條件，觀測到了正負(fù)不同的2種非相反電阻(電阻中，僅提取了具有整流效果的成分的物理量)。 通過對各個成分的分離和分析，明確了與理論的對應(yīng)關(guān)系，揭示了復(fù)雜物理現(xiàn)象的總體情況。

如圖1(b )所示，在對圓錐自旋排列施加比較強的磁場而使自旋強制對齊的區(qū)域中，有限溫度下的熱能和，賈羅辛斯基守谷相互作用^[11]被稱為的特殊相互作用使兩個自旋之間的相對方向發(fā)生擺動，形成了手性的短程自旋結(jié)構(gòu)(矢量自旋手性^[12])被誘發(fā)。 依賴于該矢量自旋手性的電子散射會引起非相電阻現(xiàn)象(非相電荷輸送現(xiàn)象)，表明在室溫附近其效果變大(圖2(a ) )。

另一方面，在實現(xiàn)圓錐自旋排列的溫度磁場條件下，如圖2(b )所示，觀測到了完全不同的非相電阻現(xiàn)象的溫度依賴性。 理論分析表明，攜帶電流的電子根據(jù)圓錐自旋排列的方向是不對稱的能帶結(jié)構(gòu)^[13]圖2(c ) )，結(jié)果顯示出現(xiàn)了表達(dá)機制與矢量自旋手性散射完全不同的第二種非互易電荷輸運現(xiàn)象。 這表明，在單一的螺旋磁性體中，會發(fā)生由多重貢獻(xiàn)引起的非線性電荷輸送。

圖2兩種非相反電荷輸運現(xiàn)象

( a ) ( b )首席執(zhí)行官₈Zn₉Mn₃中，有助于非相電阻率的2種成分的溫度依賴性。 虛線表示室溫( 300開爾文約為27℃)。 溫度是絕對溫度(單位:開爾文)。 ( a )表示在強制強磁性狀態(tài)下由自旋漲落帶來的自旋散射引起的成分，( b )表示由圓錐自旋排列中電子能量的非對稱性引起的成分各自的溫度依賴性。 ( c )圓錐自旋排列狀態(tài)下電子的能帶結(jié)構(gòu)(電子可取的能量范圍)不對稱的模式圖。 K_F-，k_F+是依賴于向左和向右前進(jìn)的電子的密度的量，有助于電流的電子的能量(費米能量)中的能帶結(jié)構(gòu)的左右寬度為k_F-和k_F+來定義自定義外觀。 ( c )的綠色和紅色線表示理論模型中的兩個電子能帶結(jié)構(gòu)。 左右不對稱表明電荷輸運現(xiàn)象出現(xiàn)非互易性。

今后的期待

本研究發(fā)現(xiàn)了手性結(jié)構(gòu)的磁體在包括室溫在內(nèi)的廣泛溫度范圍內(nèi)的非互易電荷輸運現(xiàn)象，并進(jìn)一步揭示了在不同溫度磁場條件下出現(xiàn)的兩種非互易電荷輸運現(xiàn)象的機制。 由此，我們對物理現(xiàn)象有了深入的了解，這是應(yīng)用具有手性結(jié)構(gòu)的磁性體帶來的非互易電荷輸運現(xiàn)象的基礎(chǔ)。

深化關(guān)于僅由單一材料產(chǎn)生的非線性電荷輸送現(xiàn)象的理論，有可能成為開發(fā)更小型、能效更高的電子器件的基礎(chǔ)技術(shù)。 也有望為解決實現(xiàn)碳中和社會等社會課題做出貢獻(xiàn)。

物理學(xué)的基礎(chǔ)研究具有成為未來技術(shù)創(chuàng)新源泉的可能性。 本研究獲得的知識將開辟利用自旋和電子相關(guān)的新信息控制技術(shù)，以及利用自旋的非易失性和高速操作性開發(fā)新一代自旋電子設(shè)備的可能性，有望實現(xiàn)超越科學(xué)和產(chǎn)業(yè)界限的價值創(chuàng)造。

補充說明

• 1.手性結(jié)構(gòu)、空間反轉(zhuǎn)對稱性

手性結(jié)構(gòu)是指照鏡子時彼此呈鏡像關(guān)系，但不能與原來的形狀重合。 作為例子舉出右手和左手的關(guān)系。 另一方面，空間反轉(zhuǎn)對稱性是指即使以原點為中心相對于所有坐標(biāo)軸反轉(zhuǎn)物體，物體也與原來的物體相同的性質(zhì)。 雖然手性結(jié)構(gòu)和不具有空間反轉(zhuǎn)對稱性的含義相似，但嚴(yán)格來說，不具有空間反轉(zhuǎn)對稱性的未必都是手性結(jié)構(gòu)。

• 2.非相反

在電或光等信號的傳輸方式根據(jù)方向而變化的意義上，是指例如僅在一個方向通電的二極管、或僅從內(nèi)側(cè)看到外部的反射鏡玻璃這樣的性質(zhì)。

• 3.非線性現(xiàn)象

輸出對輸入顯示出與比例關(guān)系不同的響應(yīng)的現(xiàn)象。 帶來電流整流作用的二極管、帶來放大作用的晶體管等可以作為身邊的例子。

• 4.半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)

指由不同種類的半導(dǎo)體層疊而成的結(jié)構(gòu)體。 制作需要潔凈室等特殊設(shè)備。 被用于二極管等承擔(dān)電流的電子控制性優(yōu)異的器件。

• 5.碳中和社會

是指溫室效應(yīng)氣體的排放量和吸收量之差實質(zhì)上為零的社會。 作為建設(shè)環(huán)境友好型社會的指標(biāo)，正在全世界范圍內(nèi)以實現(xiàn)為目標(biāo)。

• 6.時間反轉(zhuǎn)對稱性

指即使逆轉(zhuǎn)時間的流向，物理規(guī)律和現(xiàn)象也不會改變的性質(zhì)。

• 7.螺旋磁性有序

原子所具有的自旋(因電子自轉(zhuǎn)而具有的類似小磁鐵的性質(zhì))呈螺旋狀旋轉(zhuǎn)并排列的狀態(tài)。

• 8.自旋電子學(xué)

指的是不僅利用電子擁有的“電荷”，還利用“自旋”來傳導(dǎo)電流和控制信息的電子技術(shù)。

• 9.交叉相關(guān)現(xiàn)象

一種物理量受另一種不同類型的物理狀態(tài)影響的現(xiàn)象。

• 10.聚焦離子束

以高能量加速離子源發(fā)射的離子束，通過透鏡系統(tǒng)縮小光束，使其聚焦在非常小的空間內(nèi)的物質(zhì)。 可以對試樣進(jìn)行微細(xì)加工，用于透射電子顯微鏡觀察用的薄膜試樣制作等。

• 11.賈羅辛斯基守谷相互作用

相對論效應(yīng)在磁鐵中自旋產(chǎn)生的扭曲結(jié)構(gòu)所帶來的磁性關(guān)系或能量。 成為導(dǎo)致特殊自旋排列結(jié)構(gòu)的原因之一。

• 12.矢量自旋手性

表示相鄰兩個自旋所成的相對角度方向的量。

• 13.能帶結(jié)構(gòu)

電子在物質(zhì)中取得的能量的分布。

聯(lián)合研究組

理化學(xué)研究所創(chuàng)發(fā)物性科學(xué)研究中心

強相關(guān)物質(zhì)研究組

高級研究員中村大輔

集團(tuán)總監(jiān)田口康二郎(田口康二郎)

(前沿研究平臺合作( TRIP )事業(yè)總部強相關(guān)材料環(huán)境設(shè)備研究小組副團(tuán)隊總監(jiān))

創(chuàng)發(fā)功能磁性材料研究單元

單元領(lǐng)導(dǎo)輕部皓介

強相關(guān)理論研究小組

集團(tuán)總監(jiān)永長直人( Nagaosanoto )

(尖端研究平臺合作( TRIP )事業(yè)總部基礎(chǔ)量子科學(xué)研究計劃總監(jiān))

強相關(guān)物性研究小組

集團(tuán)總監(jiān)十倉好紀(jì)(龍珠)

(東京大學(xué)卓越教授/東京大學(xué)國際高等研究所)

早稻田大學(xué)理工學(xué)術(shù)院先進(jìn)理工學(xué)部應(yīng)用物理學(xué)科

講師李穆昆( Lee Mu-Kun )

教授望月維人

研究支援

本研究由與理研產(chǎn)業(yè)界的融合性合作研究制度(住友化學(xué))、理研TRIP倡議實施，以科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)( JST )戰(zhàn)略性創(chuàng)造研究推進(jìn)事業(yè)( CREST )“Beyond Skyrmion為目標(biāo)，創(chuàng)造新的拓?fù)浯判钥茖W(xué)(研究代表者:于秀珍) JPMJCR20T1 )”“使用納米自旋結(jié)構(gòu)的電子量子相位控制(研究代表者:永長直人，JPMJCR1874 )”、日本學(xué)術(shù)振興會( JSPS )科學(xué)研究費資助事業(yè)基礎(chǔ)研究( a )“技能肌胺所具有的新物質(zhì)、功能、物性現(xiàn)象的開拓和技能肌胺的創(chuàng)造( 25H00611 )“量子非線性響應(yīng)的理論研究(研究代表者:永長直人，24H00197 )”，同基礎(chǔ)研究( b )“馬約拉那準(zhǔn)粒子傳導(dǎo)電子耦合系統(tǒng)中的激電超導(dǎo)的理論(研究分擔(dān)者:永長直人， 24K00583 )”“基于對稱性和擾動的新拓?fù)浯判院蛣?chuàng)造功能的開拓(研究代表者:輕部皓介，23K26534 )”，同學(xué)術(shù)變革領(lǐng)域研究( a )“嵌合準(zhǔn)粒子的理論(研究分擔(dān)者:永長直人，望月維人，24H02231 ) 早稻田大學(xué)特定課題研究資助費“拓?fù)浯判缘纳伞を?qū)動·開關(guān)現(xiàn)象及其方法·技術(shù)的理論(研究代表者:望月維人，2025C-133 )”，reservoir computing with topological magnetic systems (研究代表) 2025C-134 )、RIKEN TRIP Initiative“基礎(chǔ)量子科學(xué)研究計劃(計劃總監(jiān):永長直人)”、“科研基礎(chǔ)模型開發(fā)計劃(參與研究人員:田口康二郎)”、“多電子集團(tuán)(參與研究人員:田口康二郎)

原論文信息

Daisuke Nakamura，Mu-Kun Lee，Kosuke Karube，Masahito Mochizuki，Naoto Nagaosa，Yoshinori Tokura，Yasujiro Taguchi，" non rech方案高級, 10.1126/sciadv.adw8023

主講人

理化研究所

創(chuàng)發(fā)物性科學(xué)研究中心 強相關(guān)物質(zhì)研究組

高級研究員中村大輔

集團(tuán)總監(jiān)田口康二郎(田口康二郎)

(前沿研究平臺合作( TRIP )事業(yè)總部強相關(guān)材料環(huán)境設(shè)備研究小組副團(tuán)隊總監(jiān))

強相關(guān)理論研究小組

集團(tuán)總監(jiān)永長直人( Nagaosanoto )

(尖端研究平臺合作( TRIP )事業(yè)總部基礎(chǔ)量子科學(xué)研究計劃總監(jiān))

早稻田大學(xué)理工學(xué)術(shù)院先進(jìn)理工學(xué)部

講師李穆昆( Lee Mu-Kun )

教授望月維人

主講人評論

支撐現(xiàn)在社會的科學(xué)技術(shù)是建立在很多基礎(chǔ)研究的積累之上的。 關(guān)于作為本研究對象的、因物質(zhì)的磁狀態(tài)而不同的非互易電荷輸送現(xiàn)象，我們也想為了與使未來社會更加豐富的技術(shù)革新相聯(lián)系而發(fā)展研究。 最初開始本研究的時候，沒有出現(xiàn)完全有意義的成果就暫時放棄了，但通過耐心的研究，最終得到了很高的學(xué)術(shù)評價，最終導(dǎo)致了本論文的發(fā)表。 我想以這個經(jīng)驗為糧食，今后也不害怕挑戰(zhàn)，以基礎(chǔ)研究的力量為塑造今后社會奠定基礎(chǔ)。 (中村大輔)

I am grateful to have the opportunity to collabo rate with famous research teams in riken CEMS on this topic.non reciprocal transport in chiral cryss is fascinating as it provides the potential for future small-size diodes， but the theory part is nontrivial since there can be multiple mechanisms.I ' m glad to work with theorists， prof.mochizuki in waseda university and prof.naga OSA in riken to figure out the separate mechanisms to explain the exciting experimental data nakamura.I believe our work can be generalized to more complicated situations including full band structures to explore new phenomena in the fute

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理化學(xué)研究所宣傳部新聞負(fù)責(zé)人

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