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超低消费电力エレクトロニクスは、省エネルギー社会を実现するうえで有力な技术になると期待されています。エネルギー损失のない电力输送法として知られる「量子ホール効果」は、1980年代に発见された原理で、特殊な半导体を非常に强い磁场中に置くと、その端にエネルギー损失することなく电流が流れるという现象です。しかし、量子ホール効果を使いエネルギー损失なく电流を流すためには、地磁気の20万倍にもなる10テスラ以上の非常に强い磁场が必要とされます。このため强磁场がなくても量子ホール効果が起きる材料の开発が求められていました。

量子ホール効果(左)と量子異常ホール効果(右)の模式図 © J. G. Checkelsky
量子ホール効果では、半导体に强磁场を印加することによって、试料の端にエネルギー损失することなく电流が流れる。一方、特殊な磁石を用いた异常量子ホール効果でも、材料自身が持つ磁化によって、外部磁场を印加しなくても试料の端にエネルギー损失することなく电流が流れることが、理论的に予言されている。

東京大学大学院工学系研究科の叶劍挺特任講師、岩佐義宏教授、十倉好紀教授、東京大学大学院総合文化研究科の小野瀬佳文准教授、理研基干研究所J. G. Checkelsky特別研究員（現　東京大学大学院工学系研究科特任講師）らは、最近注目を集めているトポロジカル絶縁体に少量の磁性元素マンガンを添加した材料「磁性トポロジカル絶縁体」を開発、その材料表面が磁石の性質を持つこと、そしてこの材料の中の磁壁が電流を運ぶことを発見しました。これらは、ゼロ磁場においてエネルギー損失することなく電流を流す新原理「量子異常ホール効果」の検証であり、超低消費電力エレクトロニクスを大きく前進させる成果です。

论文情报

J. G. Checkelsky, J. T. Te, Y. Onose, Y. Iwasa, Y. Tokura,
“Dirac-fermion-mediated ferromagnetism in a topological insulator”,
Nature Physics, 2012, doi: 10.1038/nphys2388.

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