バルクでは磁石につかない物質を原子層厚の薄膜で磁石に変換

国立大学法人東北大学
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）

発表のポイント

• 物質の中には、原子数個レベルの厚みの薄膜にすると、十分な厚みをもつ通常の状態（バルク状態）とは全く異なる性質を示すものがありますが、磁石にくっつかない物質を薄膜にしても磁石にくっつくように変化することはないと理論的に予想されていました。

• しかし例外があることも予想されており、三セレン化二クロム（Cr₂Se₃）という物質で薄膜を作ったところ、磁石にくっつくように変わることを発見しました。高輝度放射光から発生するX線で調べると、薄膜を作るときの「台」に当たるシート状炭素グラフェンから薄膜への電子の移動によるものであることが分かりました。

• 現代のエレクトロニクスは電子の電気的性質だけを使っていますが、磁気的性質（スピン）も合わせて使うことで性能を向上させる「スピントロニクス」が注目されています。今回の成果はスピントロニクスの可能性を広げるものとして期待されます。

概要

電子がもつミクロな磁石の性質である「スピン」が物質中で揃うと強磁性が発現します。もし原子レベルの薄さをもつ二次元物質で強磁性が実現すれば、次世代スピントロニクスへの応用が期待できます。しかし、理論的には二次元物質では磁気秩序が消失すると予測されていました。

東北大学、高エネルギー加速器研究機構、量子科学技術研究開発機構からなる研究グループは、クロムを含む反強磁性体Cr₂Se₃に着目し、分子線エピタキシー法によってグラフェン上にCr₂Se₃の二次元薄膜を成長させることに成功しました。1層から3層まで膜厚を系統的に変化させた試料を高輝度放射光X線で調べた結果、三次元の結晶では反強磁性を示すCr₂Se₃が、二次元になると強磁性へ転じ、さらに膜厚が薄いほど強磁性転移温度（T_C）が高まることを明らかにしました。加えて、マイクロARPESによる電子状態解析から、グラフェン基板から界面を介してCr₂Se₃に注入される伝導電子が、この高温強磁性の決定的な要因であることを突き止めました。

本成果は二次元材料で高温強磁性を安定化させる新たな手法を提案するとともに、スピントロニクスデバイスや省エネルギー素子などへの応用に道を拓くものとして期待されます。

本研究成果は、2025年4月18日（現地時間）に科学誌Nature Communicationsのオンライン版にて公開されました。

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