数年間、二酸化クロム (RuO₂) は物理学者を困惑させてきました。異なる実験によると、この金属酸化物は時には磁性を示し、時には全く磁性を持たないことがあります。この不確実性は、RuO₂ が「変磁性材料」と呼ばれる新しい材料のカテゴリに属するかどうかを特定することを困難にしています。この種の材料は、将来的により高速でエネルギー効率の良い電子製品を推進する可能性があります。現在、新しい研究において、研究者たちは、欠けている鍵は材料自体ではなく、その引き伸ばされた密度である可能性があることを示しました。わずか2ナノメートルの超薄いRuO₂薄膜を成長させ、その格子をひずみ状態に保つことで、彼らは明確な磁気秩序の兆候を検出しましたが、これらの兆候はより厚く、緩んだサンプルの中では隠れていました。
研究結果は、RuO₂ の磁性が固定された特性ではなく、科学者たちが材料の原子構造を調整することで開くことができる機能である可能性を示しています。
研究が明らかにするRuO₂の変磁性特性
研究者たちは、「RuO₂ はその顕著な変磁性スピン分裂が期待されるため、再び注目されています。」と述べています。この異常な磁性材料に関する議論は広範に展開されており、RuO₂ は現在、工業用触媒に広く使用されており、その卓越した導電率から注目されています。しかし、近年、この材料は激しい議論の焦点となっており、一部の実験はそれが変磁性材料である可能性を示唆しています。これは、従来の磁石と非磁性材料の特性を組み合わせた最近提案された磁性材料の一種です。通常の棒磁石とは異なり、変磁性材料は全体的な磁化がほとんどなく、電子は依然として磁気的に秩序しています。
しかし、過去の研究は矛盾する結果を生み出しました。いくつかの報告は磁気秩序、異常なホール効果、高効率のスピン-電荷変換を指摘しましたが、他の報告は大きな結晶や緩んだ薄膜の中で磁性の証拠を発見しませんでした。最近の研究では、RuO₂ が厚さ5ナノメートルの薄膜では変磁性行動を示さないと結論付けています。
しかし、約4ナノメートル未満の完全にひずみを受けた薄膜を直接検査する技術を使用した人はいません。研究の著者は、「超薄い限界では、RuO₂ のスピン構造の大部分は未探索のままです。」と指摘しています。この欠けている分野を探るために、研究者たちは二酸化チタンを基材としたわずか2ナノメートルの原子滑らかなRuO₂薄膜を成長させました。基材の原子間距離がRuO₂とわずかに異なるため、超薄膜は基材に合わせるために引き伸ばされ、この状態は外延ひずみと呼ばれます。これは、わずかに異なる間隔のフレーム上に小さな金属ネットを敷設することに例えることができ、ネット構造は適応するために引き伸ばされ、各接点の位置が微妙に変わります。
結晶内で、これらの微小な変化は電子の運動と相互作用を変化させます。
ひずみがRuO₂の磁性行動に与える影響
次に、チームはスピン解析角分解光電子分光法 (spin-ARPES) を使用して、材料に照射して電子を励起しました。各電子のエネルギー、運動量、スピンを測定することで、科学者たちは材料の電子構造を詳細に描くことができました。結果の真実性を確保するために、彼らは2つの異なる実験幾何学で測定を繰り返し、真の磁気信号と可能な測定アーティファクトを分離しました。追加のX線および光学実験は、薄膜が完全にひずみを保持していることを確認し、その結晶対称性を明らかにしました。
測定結果は、異常な運動量依存のスピン構造を明らかにし、これは電子のスピン方向が結晶内での運動の仕方に応じて系統的に変化することを意味します。詳細な対称性分析の後、研究者たちは結晶の極性構造や測定プロセス自体による影響を含む非磁性の説明を排除しました。研究の著者は、「包括的な対称性分析は、このスピン構造の非磁性の起源を排除しました。これらの発見は、超薄い限界において外延ひずみが新たな非相対論的スピン構造を実現することを示しており、緩んだり大きな塊のRuO₂の挙動とは明らかに異なります。」と述べています。
観察された行動は弱いフェリ磁性または変磁性と一致し、ひずみが根本的にRuO₂の電子基底状態を変化させたことを示しています。
これらの発見は、ひずみが通常は磁性特性を示さないスイッチ材料において実用的な方法となる可能性があり、電子スピンに基づく低消費電力スピントロニクスデバイスの新たな可能性を開くことを示唆しています。しかし、これらの実験は約15ケルビン（約-258°C）の条件下で行われたため、室温でも同じ行動が持続するかどうかはまだ不明です。今後の研究では、どのような磁気状態が現れるか、そしてそれが現実のデバイスで信頼性を持って制御できるかを確認する必要があります。この研究は『サイエンスアドバンス』ジャーナルに発表されました。