成果

新奇超伝導体に特殊なスピン電子構造を発見
－スピントロニクスデバイス開発と超伝導研究に新たな光－

発表のポイント

概要

広島大学放射光科学研究センターの奥田太一教授、宮本幸治助教、広島大学大学院理学研究科博士課程３年のWu Shilongらの研究グループは、広島大学大学院理学研究科木村昭夫教授と山梨大学大学院附属クリスタル科学研究センターの長尾雅則助教、綿打敏司准教授、田中功教授らの研究グループと共同で、最近発見されたランタン（La）と酸素（O）およびビスマス（Bi）と硫黄（S）からなる、超伝導を示す層状化合物中に隠されたスピン偏極電子状態が存在する事を発見しました（図１）。

図１：LaOBiS2の結晶構造。二枚のBiS2層が中央のLaO層によって隔てられた層状構造をしている。表と裏のBiS2層は互いに逆向きの構造をしており、各層を見ると対称性は破れているが、全体を見ると中心対称性が保たれている。

本物質はBiやLaといった大きなスピン軌道相互作用を持つ元素が用いられており、その電子状態はスピン軌道相互作用が重要な役割を担うと理論的に示唆されました。従来、このような大きなスピン軌道相互作用をもつ物質は、結晶が空間反転対称性をもつ場合はスピン偏極した電子状態を生じ、対称性をもたない物質ではスピン偏極した電子状態は存在し得ないと考えられていました。

しかし最近、結晶全体に空間反転対称性を持つ物質でも局所的にその対称性が破れた構造を持っていればスピン偏極電子状態が生じる可能性が理論的に指摘されていました。今回研究グループは広島大学放射光科学研究センター（HiSOR）に設置された高分解能スピン・角度分解光電子分光装置を用いて、最近発見された層状の超伝導物質において局所的なスピン偏極電子状態が存在することを初めて発見しました（図２）。またそのスピン偏極電子構造が電子の持つエネルギーに依存して変化することも突き止め、さらに、この物質ではスピン偏極した電子が超伝導に直接かかわっていることがわかりました。

図２：スピン分解光電子分光により観測されたスピン偏極した電子状態。図d,e,f,g中の赤と青で示されたスペクトルがそれぞれ上向き下向きスピンの状態を表す。両者が異なっていることがスピン偏極している証拠である

本結果は、層状化合物の表と裏に隠されたスピン偏極電子状態が存在することを意味しており、本物質がデュアルゲートスピントランジスタなどのスピントロニクスデバイス応用にもつながると期待されます。

本研究成果は、ロンドン時間の平成29年12月４日午前10時（日本時間：平成29年12月4日午後7時）に、「Nature Communications（ネーチャーコミュニケーションズ）」にオンライン掲載されました。

広島大学お知らせ
【研究成果】新奇超伝導体に特殊なスピン電子構造を発見 －スピントロニクスデバイス開発と超伝導研究に新たな光－

背景

電子には電荷に加えスピンの自由度があります。スピンはそれ自身が微小な磁石の性質を持ちます。例えば、強磁性体注1ではスピンがある方向に揃っているため物質全体が磁石の性質を持ちます。一方、一般に非磁性体注２ではスピンがランダムな方向を向いている（もしくは上向きのスピンと下向きのスピンがキャンセルしている）ため物質は磁石の性質を持ちません。しかし、スピン軌道相互作用注３が大きな重い元素を含む物質の場合、表面や界面など結晶性が破れている部分には非磁性体でもスピンが揃う現象が生じることが知られており（ラシュバ効果注４）、新たなスピン偏極電子状態として近年注目されています。このような非磁性体中のスピン偏極電子状態は次世代のスピンを利用した電子デバイス技術（スピントロニクス注５）への応用が期待されることから盛んに研究がおこなわれています。

しかし最近、結晶全体が空間反転対称性注6を有していても局所的にその対称性が破れているような場合には、局所的なスピン偏極電子状態が生じ得ることが理論的に予想されていました。そのような物質の候補として最近発見された新しい超伝導物質であるLaO1-xFxBiS2があります。この物質は図１のような構造を持つ層状物質で中央のLaO層が二つのBiS2層に挟まれた結晶構造を持ちます。全体としては空間反転対称性を持ちますが、BiS2層だけを見ると対称性が破れており、またBiというスピン軌道相互作用の大きな重元素が含まれていることから局所的なスピン偏極電子状態を持つ可能性があると指摘されていました。さらにこの物質はTc〜3 Kで超伝導転移を起こす超伝導物質であることがわかっています。もし、この物質の価電子バンドがスピン偏極していれば、超伝導にこのスピン偏極電子が直接かかわっていることが予想され、スピン一重項状態と三重項状態注7の電子対（クーパーペアと呼ばれる）がともに超伝導に寄与している特殊な超伝導物質である可能性があり、超伝導研究においても大変興味深い物質です。

研究成果の内容

今回、広島大学、山梨大学の研究グループは高品質のLaO1-xFxBiS2結晶を作製し、広島大学の放射光科学研究センター（HiSOR）で高分解能のスピンおよび角度分解光電子分光注8により、この物質のスピン電子状態を測定しました。その結果伝導帯の電子状態は明確にスピン偏極しており、対称点に対してスピン偏極度が反転するラシュバ型スピン偏極電子状態を有することが分かりました（図２）。また高い束縛エネルギーの電子状態はラシュバ型ではなくドレッセルハウス型注9と呼ばれる異なるスピン電子状態になっていることも分かりました（図３）。

図３：スピン電子状態のエネルギーによる変化。図bに見られるように図aの”a” 点と”b”点でスピンの状態が反転しており、図ｄに示すように領域IとIIではそれぞれ異なるスピン構造（c,e）をもつことが示唆される結果を得た。

今後の展開

今回の研究は、空間反転対称性のある物質でも局所的な対称性の破れが存在すれば電子のスピンが偏極することを実験的に示したものです。これまでそのような物質としてMoS2やWSe2が報告されていましたが、これらの物質は表面に垂直なスピン偏極を示すのに対し、今回発見されたLaO1−xFxBiS2では面内にスピン偏極した物質である点が大きく異なっています。さらにLaO1−xFxBiS2は約3 Kで超伝導となることが知られており、今回発見したスピン偏極電子状態が超伝導状態を担っていると考えられることから、新しいタイプの超伝導物質としても非常に興味深い物質です。また、層状構造のおもて面と裏面がそれぞれ逆向きにスピン偏極しているため、両面を使ったデュアルゲートスピントランジスタ注10として利用出来る可能性があり、次世代のスピンを利用したデバイスへの応用も期待されています。

用語説明

（注１）強磁性体
隣り合うスピンが同一の方向を向いて整列し、全体として大きな磁気モーメントを持つ物質。外部磁場が無くても自発磁化を持つことができ、いわゆる磁石のことである。　戻る
（注２）非磁性体
強磁性体と異なり、電子のスピンが上向きのものと下向きのものが物質内で同数あり打ち消し合っているため、全体としては磁気モーメントを持たず、磁石の性質を持たない物質。　戻る
（注３）スピン軌道相互作用
電子が電界中を運動することにより磁界を感じる相対論的効果。この効果により非磁性体であっても運動方向にスピンの向きが揃う現象（ラシュバ効果やドレッセルハウス効果など）が生じる。　戻る
（注４）ラシュバ効果
物質表面や界面におけるポテンシャル勾配によるスピン軌道相互作用により、ポテンシャル勾配の方向と物質中の電子の運動方向の両者に垂直な方向に電子のスピンが揃う（＝偏極する）現象。スピンは電子バンドの等エネルギー面においてヘリカル（面内に時計回りや反時計回り）な構造を示す。戻る
（注５）スピントロニクス
従来のエレクトロニクスでは電子の持つ電荷を利用してトランジスタの動作やメモリーとしての機能を実現していたが、電子スピンの上向き、下向きの違いを利用して同様の機能を実現しようとする電子デバイス技術。電荷を利用するエレクトロニクスデバイスに比べ消費電力を大幅に減らすことができるなどの利点があり、実現に向けた研究が行われている。　戻る
（注６）空間反転対称性
空間座標(x,y,z)を(-x,-y,-z)と変換することを空間反転と呼び、そのような変換前後で物理量が不変である場合、空間反転対称性があると言う。　戻る
（注７）スピン一重項状態と三重項状態
電子のスピンの向きによって、電子対の組み方は二種類存在する。電子のスピンの向きが同じ方向のものをスピン三重項状態、反対向きのものをスピン一重項状態と呼ぶ。　戻る
（注８）スピンおよび角度分解光電子分光
固体に光を照射すると物質の表面から電子が放出される。放出された電子は光電子と呼ばれ、その光電子のエネルギーや運動量、スピン状態を測定すると、物質がどのような電子・スピン状態をとっているかが分かる。 戻る
（注９）ドレッセルハウス効果
ラシュバ効果では物質表面や界面において電場勾配が生じるが、III-V 族半導体などの極性物質では異なる原子間に電場が生じる。このようなミクロな電場が原因となって生じるスピン軌道相互作用をドレッセルハウス効果とよぶ。そのスピン構造はラシュバ型のようなヘリカル構造ではなく複雑なスピン構造を持つ。　戻る
（注１０）デュアルゲートスピントランジスタ
ラシュバ効果などによるスピン偏極電子状態は電場でスピンの向きを制御することができるため、スピンを利用したトランジスタ（スピントランジスタ）が実現できると考えられている。今回観測したLaOBiS2型の物質は図１に示したように表と裏のBiS2層がそれぞれ逆向きのスピン偏極を有していると考えられるため表と裏の両面を利用したトランジスタが実現可能と考えられており、そのようなトランジスタをいう。両面が利用できるため速いトランジスタ動作が期待できる。　戻る