半导体の基础物理学で新たな発见 半导体中に磁性をもつ原子を加えて强磁性にすると、伝搬する电子の散乱が抑えられ秩序が回復する现象を観测
电子（正孔）の波の散乱が磁性不纯物マンガン(惭苍)の浓度の増加によって抑制され秩序が回復する様子
半导体に添加された磁性不纯物マンガン(惭苍)の浓度が0.9%より小さいときは、电流の担い手である正孔の波は惭苍原子によって乱されます(上)。惭苍浓度の増加によって正孔の波の乱れはより大きくなります(中)。しかし、惭苍浓度が0.9%以上になり半导体が强磁性になる（磁石のようになる）と、现在の固体物理学における一般的な理解とは逆に、正孔の波の散乱が强く抑えられて、波のコヒーレンスが増大し、秩序が回復することが分かりました(下)。
© 2016 田中-大矢研究室
東京大学大学院工学系研究科の宗田伊理也特任研究員、大矢忍准教授、田中雅明教授らの研究グループは、半导体に磁性をもつ原子を添加しその添加量を増やしたところ、半导体が强磁性を示す（磁石になる）と同時に半导体中を伝搬する電子の波（波動関数）の乱れ（散乱） が抑制され、秩序が回復するという従来の固体物理学の常識では予測できない特異な現象を発見しました。本研究の成果は、高速で動作する量子スピントロニクスデバイス実現への新たな可能性を示すものです。
半导体など多くの物质においては、电子や正孔（电子が抜けた穴で正の电荷をもつ仮想的な粒子）が物质中を动くことにより电流が流れます。电子や正孔は波としての性质を持っており（波动関数）その波が伝搬する际に乱れを抑えること、つまり波动関数ができるだけ乱されないように秩序を高めることは、様々なデバイスの性能を向上させる上で极めて重要な课题です。波动関数が整然と秩序を保ったままどれくらい伝搬できるかは、移动度という物理量で表现されており、移动度を向上させることが高性能デバイスを実现する上での重要な课题です。半导体では、素子に电流を流すために、电子や正孔を生み出す不纯物原子を添加して抵抗を下げる方法が広く用いられていますが、不纯物浓度の増加に伴い半导体中の电子や正孔の波动関数は强く乱され、デバイスの特性は劣化します。これは、半导体では古くから知られている大きな问题で、固体物理学や半导体物理学の常识でした。
今回、研究グループは、半导体ガリウム砒素（骋补础蝉）に磁性をもつマンガン（惭苍）原子を添加して、波动関数が惭苍原子によってどの程度乱されるかを、独特の手法を用いて详细に调べました。その结果、惭苍原子の浓度が0.9%よりも低いときは、予想通り惭苍浓度の増大に伴い波动関数の乱れが大きくなることが分かりました。しかし、惭苍浓度が0.9%を超えて半导体が强磁性になった途端に、正孔の波动関数の乱れが突如として强く抑制され、秩序が回復し増してゆくことが初めて明らかになりました。一般に、固体物理学では不纯物浓度が増加すると乱れは増大することが予测されますが、今回の実験で得られた结果はこれとは正反対の结果でした。
この现象の起源はまだ完全には解明されていませんが、半导体が强磁性に転移したことに伴いスピンの向きが揃うことにより生じた现象であると考えられます。この特异な现象は、将来、电子や正孔のコヒーレンスを生かした高速な量子スピントロニクスデバイスの実现につながるものと期待されます。
「磁性をもつ原子を半导体に添加すると、强磁性になった途端に散乱が抑えられ秩序が増大するという予想外の现象を発见しました。半导体が强磁性を示すとともに电流を担う正孔が走る価电子帯の秩序が回復したためと考えられます」と田中教授は语ります。「半导体物理学の研究の歴史は长いですが、このような现象は従来の考え方では理解できず、まだまだ半导体には不思议な未知の现象があることを示しています。実用化は先ですが、将来は强磁性半导体を用いた量子スピントロニクスデバイスの実现につながれば」と期待を寄せます。
また、実験を担当した宗田研究员は「卒论と大学院时代からスピントロニクスに兴味を持ち强磁性半导体の研究をしていますが、このような不思议な现象を発见したのは初めてです。常识外の结果だったため、当初は実験が上手く出来ていないのではないかと思いましたが、强磁性転移を伴っていたので何かあるに违いないと考え、慎重に多くの试料を作製し、数多くの実験を重ねました。」「论文にまとめるまでに数年かかりましたが、今では确信をもって発表することができます。」と话しています。
论文情报
, "Sudden restoration of the band ordering associated with the ferromagnetic phase transition in a semiconductor", Nature Communications: 2016/06/28 (Japan time), doi:10.1038/ncomms12013.
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