大阪大学大学院工学研究科の坂本一之教授、物質・材料研究機構の内橋隆博士と矢治光一郎博士、東京大学物性研究所の小森文夫教授、ウイスコンシン-ミルウォーキー大学(アメリカ)の獅子堂達也博士らの国際研究グループは、原子層結晶 に流れる電子磁石が原子核周りを運動する電子の軌道に由来することを世界で初めて明らかにしました。電子には電流の担い手である電荷という性質とともに、磁石の性質(電子磁石)も併せ持っています。この電子磁石は、次世代量子デバイス の動作の根幹を担うものであり、その制御の解明は次世代高機能量子デバイスの構築に不可欠なものです。

坂本教授らの研究グループは、原子層結晶での電子磁石の動きを実験的に直接解明できるスピン・角度分解光電子分光法 を用い、シリコン表面上に作製したインジウム2層からなる原子層結晶の電子バンド とフェルミ面 での電子磁石の方向を求めました。その結果、電子磁石の向きがこれまで考えられていた原子核周りの電子の密度の片寄り ではなく、原子核周りの電子の軌道運動に由来することを明らかにしました。前者は"フレミングの左手の法則"で考えることができます。原子面に垂直な方向の電子の密度の片寄り(電池)を親指方向にとった時、中指方向に電子が動くと磁場(磁石)は人差し指の方向を向きます （図1（a）） 。電子磁石(電子の手)は磁場と平行方向になりますので、電子の密度を考えた電子磁石の向きは常に原子面に平行で電子の運動方向に垂直となります。これに対し、原子核周りの電子の軌道運動は"右ネジの法則"で考えることができます （図1（b）） 。電子が円軌道を運動すると円の中心に磁場が発生し、それによって電子磁石の向きは電子の円軌道の中心を貫く方向となります。運動する軌道を自由に設計することができれば電子磁石の向きを任意に(例えば （図1（c）） のように原子面に垂直に)変えられるようになります。このような電子の軌道運動に由来する電子磁石の運動はこれまで考えられていない全く新しい機構です。

本研究成果は、米科学誌「Physical Review Letters」(オンライン)に、10月19日(月)に掲載されました。

図1　電子密度の片寄りによる電子磁石の向きと、電子の軌道運動による電子磁石の向きの概念図。

原子層結晶に現れる電子磁石は原子核周りの電子の密度の片寄りに由来し、その向きは原子層面と運動方向に対して垂直であると考えられていました。また、異なる方向を向く電子磁石は、原子層結晶の構造の対称性など、その時々で異なる理由によってこれまでは説明されており、普遍的な理解は得られていませんでした。スピン・角度分解光電子分光測定は物質中の電子の運動と電子磁石の向きに関する有益な情報を与えることができますが、高品質な試料と非常に精度の高い装置の両方が要求されるため、これまで電子バンド、フェルミ面と電子磁石の向きを正確に求めることが困難でした。

坂本教授らのグループは、これらの問題を解決するために、作製に成功した非常に品質の高い原子層結晶を超高性能の装置を用いて測定しました。その結果、ある運動量を持つ電子磁石は従来の電子の密度の片寄りで説明できますが、他の運動量を持つ電子磁石ではこれまで報告されたいかなる理由でも説明できないという結果を得ました（ （図2） の右側にある磁石は電子の進む向きと磁石が垂直なので従来の要因で説明できますが、左側にある磁石は電子の進む向きと磁石が平行で説明できません)。この結果と理論計算によって、 （図2） にある全ての電子磁石の向きを電子の軌道運動で説明できたことから、原子層結晶における電子磁石の向きが電子の軌道運動に起因していることを明らかにしました。電子磁石の向きと運動の制御は、電子磁石を用いたデバイスの構築に必須であることから、この結果は次世代高機能量子デバイスを設計するために不可欠な情報です。

図2　シリコン表面上に作製したインジウム2層からなる原子層物質のフェルミ面。横軸と縦軸は電子のx方向とy方向の運動量(波数)です。いくつかの運動量における電子磁石の向きと電子が動く向き(黄色の矢印)。

本研究成果により明らかになった電子の軌道運動に起因した電子磁石の向きは、原子層結晶における電子磁石の動きを理解するための全く新しい機構の提唱という学術的意義があります。また、本研究で用いたインジウム2層からなる原子層結晶が超伝導となることから、応用的にも次世代デバイスとして有力視されているものの未だ商品化されていない量子デバイスの実現を大きく前進させるという意義も併せ持っています。

本研究成果は、2020年10月19日(月)に米科学誌「Physical Review Letters」に掲載されました。

タイトル:"Orbital angular momentum induced spin polarization of 2D metallic bands"
著者名:Takahiro Kobayashi, Yoshitaka Nakata, Koichiro Yaji, Tatsuya Shishidou, Daniel Agterberg, Shunsuke Yoshizawa, Fumio Komori, Shik Shin, Michael Weinert, Takashi Uchihashi, and Kazuyuki Sakamoto
URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.125.176401

なお、本研究は、JSPS科学研究費補助金基盤研究(B)25287070と19H02592、新学術領域「3D活性サイト科学」15H01041と17H05211、WPI-MANA国際ナノアーキテクトニク研究拠点の補助を受けて行われました。また、部分的にはNanoscience Science Foundation(Grant No. EFMA-1741673)の補助を受けました。