図1：スピンギャップレス半導体と異常分散X線回折の概念図。今回成膜したスピンギャップレス半導体的性質を示す合金薄膜はXA構造をとると予想されていました。しかし、走査透過電子顕微鏡像のとおり組成の近い２結晶相からなり、元素を区別できる異常分散X線回折の実験で、それらはXA構造ではなくコバルトとマンガンが入れ替わった不規則構造であることがわかりました。

図2：異常分散X線回折の実験結果（上）と得られた結晶構造（下）

※1. スピントロニクス
固体中の電子がもつ電荷と内部自由度であるスピンの両方を工学的に応用する分野のことで、スピンと電子工学をあらわすエレクトロニクスを組み合わせた造語。ハードディスクドライブのヘッドに使われている巨大磁気抵抗効果がその代表例です。

※2. スピンギャップレス半導体
固体のバンド理論において伝導電子のスピン偏極率が100%となるものをハーフメタルとよびますが、このハーフメタル性に加え半導体的性質も兼ね備えた物質をスピンギャップレス半導体とよびます。高い分極率と高移動度を併せもつため、スピントロニクスデバイス材料として注目されています。

※3. ホイスラー合金
ホイスラー合金は, X₂YZの分子式をもつ典型的な規則合金で、XYZの分子式をもつハーフホイスラー合金も古くから研究されています。ホイスラー合金は1903年に非磁性の銅とマンガンとアルミニウムの3元素からなる合金が強磁性を示すことをFriedrich Heuslerが発表して以来、ハーフメタル性や磁気抵抗をはじめとして磁歪、磁気冷凍、形状記憶などさまざまな磁気効果における特異な性能の発見を通じて、スピントロニクスを含む多岐にわたる分野へと展開されています。

※4. 大型放射光施設SPring-8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す大型放射光施設です。理化学研究所が所有し、利用者支援はJASRIが行っています。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来。SPring-8では、放射光を用いてナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われています。

※5. 異常分散X線回折
元素には共鳴効果によって特定のエネルギーのX線に対する散乱能が大きく変化する異常分散効果が知られています。放射光のもつ波長選択性（エネルギー選択性）を活用して、このような注目元素の異常分散効果による回折強度のX 線エネルギー依存性を計測する手法を異常分散 X線回折とよびます。X線の回折現象が発見された初期の段階から日本人の貢献があり，西川正治博士が中心対称性をもたない硫化亜鉛結晶の極性判別に異常分散X線回折を利用したことはよく知られています。

Figure 1：Schematic diagrams of spin-gapless semiconductor and anomalous X-ray diffraction. It was expected that the alloy thin film with spin-gapless semiconducting characteristics grown by molecular beam epitaxy in this study would have the XA structure. However, the image from a scanning transmission electron microscope showed that the film consists of two crystalline phases of similar compositions. According to anomalous X-ray diffraction, which can distinguish between different elements, the film exhibits disordered structures in which Co and Mn are interchanged with each other instead of the XA structure.

Figure 2：Results of anomalous X-ray diffraction analysis (top) and determined crystal structures (bottom).

*1. Heusler alloys
Heusler alloys are typical ordered alloys with the molecular formula X₂YZ. Half-Heusler alloys with the molecular formula XYZ have also been studied for a long time. Since 1903, when Friedrich Heusler reported that an alloy composed of three elements, non-magnetic Cu, Mn, and Al, exhibits ferromagnetic properties, various unique magnetic properties of Heusler alloys have been discovered. These include half-metallic properties, the magnetoresistance effect, magnetostriction, magnetic refrigeration, and shape memory effect. Heusler alloys have been studied and applied in a wide variety of areas including spintronics.

*2. Spin-gapless semiconductors
In the band theory of solids, materials with conduction electrons that are 100% spin-polarized are called half metals. Materials having semiconductive properties in addition to half-metallic properties are called spin-gapless semiconductors. Spin-gapless semiconductors are attracting attention as materials for spintronics devices because of their high polarizability and high mobility.

*3. Spintronics
Spintronics is an area of research targeting the technological application of both the electric charges and the spins representing the internal degrees of freedom of electrons in a solid material. Spintronics was coined from “spin” and “electronics”. Currently used spintronics devices include reading heads for hard discs featuring the giant magnetoresistance effect.

*4. Large synchrotron radiation facility SPring-8
SPring-8, owned by RIKEN, is a large synchrotron radiation facility that delivers some of the most powerful synchrotron radiations in the world. It is located in Harima Science Garden City, Hyogo Prefecture, Japan. JASRI supports users of the facility. The name “SPring-8” is derived from “Super Photon ring-8 GeV”. The research conducted at SPring-8 covers a wide range of fields including nanotechnology, biotechnology, and industrial applications.

*5. Anomalous X-ray diffraction
The scattering power of elements for X-rays of certain energies varies significantly owing to the resonance effect, which is known as the anomalous dispersion effect. Anomalous X-ray diffraction is a technique of measuring the X-ray energy dependence of the diffraction intensity of target elements using the wavelength selectivity (energy selectivity) of synchrotron radiation. Japanese scientists have contributed to this area since its early stages when the phenomenon of X-ray diffraction was discovered. In a well-known study, Dr. Shoji Nishikawa used anomalous X-ray diffraction to determine the polarity of non-centrosymmetric zinc sulfide crystals.