理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター強相関物性研究グループの安田憲司研修生（東京大学大学院工学系研究科博士課程2年）、十倉好紀グループディレクター（同教授）、強相関界面研究グループの川﨑雅司グループディレクター（同教授）、動的創発物性研究ユニットの賀川史敬ユニットリーダー（同准教授）、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授らの共同研究グループは、「磁性トポロジカル絶縁体」の磁壁におけるトポロジカル電流の観測とスピントロニクスデバイスの基礎原理の実証に成功しました。

　近年、磁性トポロジカル絶縁体と呼ばれる特殊な磁石で「量子異常ホール効果」という現象が観測されました。これは、磁石中に磁化があることで生じる外部磁場が不要な量子ホール効果であり、試料端において、エネルギー散逸の少ないトポロジカル電流が一方向に流れます。このとき、磁区の境界である磁壁においてもトポロジカル電流が生じることが理論的に提唱されていました。磁壁でのトポロジカル電流は、その向きおよび位置を制御することができるため、これを用いた再構成可能な回路の設計が可能であり、低消費電力素子への展開を飛躍的に進めると期待されます。しかし、磁区を任意に作ることが困難であり、磁壁でのトポロジカル電流はこれまで観測されていませんでした。

　今回、共同研究グループは磁気力顕微鏡を用いることで、磁性トポロジカル絶縁体上に任意の磁区を書き込む手法を新たに確立しました。磁区形成後の素子に対して、0.5K（-272.65℃）の極低温で電気伝導測定を行ったところ、磁区構造に応じた量子化抵抗が観測され、磁壁におけるトポロジカル電流の存在が確認されました。さらに、単一素子内でのさまざまな磁区構造の形成により、トポロジカル電流の流れおよび量子化抵抗を自在に制御できることを明らかにしました。
本研究により、トポロジカル電流を用いた新しいスピントロニクスデバイスの基礎原理が実証されました。今後、電流での磁壁駆動による次世代磁気メモリの構築や動作温度の高温化によるデバイスのさらなる発展が期待できます。

　本成果は、米国の科学雑誌『Science』に掲載されるのに先立ち、オンライン版（12月7日付け：日本時間12月8日）に掲載されました。
　本研究は、最先端研究開発支援プログラム（FIRST）「強相関量子科学（中心研究者：十倉好紀）」、科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業（CREST）「トポロジカル絶縁体ヘテロ接合による量子技術の基盤創成（研究代表者：川﨑雅司）」の事業の一環として行われました。

図　量子異常ホール状態での試料端と磁壁に生じるトポロジカル電流

詳細（プレスリリース本文）

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