バルクでは磁石に付かない物質を原子層厚の薄膜で磁石に変換～次世代スピントロニクスへの応用に期待～(JST)

2025.4.24更新

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、十分な厚みを持つ通常の状態（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＞

電子が持つミクロな磁石の性質である「スピン」が物質中でそろうと強磁性が発現します。もし原子レベルの薄さを持つ２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２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２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、３次元の結晶では反強磁性を示すＣｒ２Ｓｅ３が、２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（ＴＣ）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２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開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「ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」のオンライン版にて公開されます。

本成果は、科学技術振興機構（ＪＳＴ）戦略的創造研究推進事業ＣＲＥＳＴ「トポロジカル材料科学に基づく革新的機能を有する材料・デバイスの創出」研究領域（研究総括：上田正仁）における研究課題「ナノスピンＡＲＰＥＳによるハイブリッドトポロジカル材料創製」（ＪＰＭＪＣＲ１８Ｔ１）（研究代表者：佐藤宇史）などの支援を受けて行われました。また、実験は高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所放射光共同利用実験課題（課題番号：２０２０Ｇ６６９、２０２１Ｓ２－００１、２０２１Ｇ００５、２０２２Ｇ００７、２０２２ＰＦ－Ｇ００５）により実施しました。

＜プレスリリース資料＞

本文PDF（473KB）

＜論文タイトル＞

“Spin-valley coupling enhanced high-TC ferromagnetism in a non-van der Waals monolayer Cr2Se3 on graphene”
ＤＯＩ：10.1038/s41467-025-58643-3

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