未利用磁石材料の電気的制御で新発見 ～磁気八極子と磁気双極子は電流応答に決定的な差異～

未利用磁石材料の電気的制御で新発見～磁気八極子と磁気双極子は電流応答に決定的な差異～

2023年8月 4日 10:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇电気通信研究所　教授　深见俊辅

【発表のポイント】

マクロには磁力を持たないが、电気的には磁石と似た性质を示す「ノンコリニア反强磁性体^摆注1闭」の情报デバイス応用に向けた研究が进められている。
ノンコリニア反强磁性体を电流で制御する际、その状态を记述する「磁気八极子」は、一般的な磁石の「磁気双极子」とは逆方向に回転することを発见。
ノンコリニア反强磁性体を用いたスピントロニクス^摆注2闭素子の実现に向け重要な知见が确立。

【概要】

スピントロニクス研究の进展により、微细な磁石の磁化を电流で制御するメモリなどが実现され、超省エネ半导体への展开を目指した研究开発が进められています。近年のスピントロニクス分野では全体としては磁力を持たないものの电気的には磁石と似た性质を示す「ノンコリニア反强磁性体」が新たな机能性材料として注目されています。ノンコリニア反强磁性体の状态は「磁気八极子」で记述でき、これは一般的な磁石材料の「磁気双极子（狈极/厂极の方向）」^摆注3闭と类似したものと考えられています。

このたび、东北大学と米国マサチューセッツ工科大学の研究チームはノンコリニア反强磁性体を电流で制御する际の一般的な磁石材料との大きな违いを発见しました。

研究チームは、ノンコリニア反强磁性体の电流への応答を详しく调べ、「磁気八极子」は一般的な磁石材料の「磁気双极子」とは真逆の方向に回転することを明らかにしました。また详细な测定と理论モデルの构筑を通し、この性质がノンコリニア反强磁性体の特异な磁気构造に由来していることを解明しました。

电流と磁石材料の相互作用の理解はスピントロニクス素子応用に向けた基盘となるものです。今回得られた知见を土台にして、ノンコリニア反强磁性体の工学利用に向けた研究开発が进展することが期待されます。

本研究成果は、2023年8月3日（英国時間）に出版される材料科学分野の学術誌Nature Materialsに掲載されました。

図1. 実験で用いたノンコリニア反強磁性体Mn3Snの薄膜の断面電子顕微鏡像（左）と、互いに打ち消し合うように配列したMn原子の磁気モーメントの秩序（カイラルスピン構造）の模式図。

【用语解説】

注1. ノンコリニア反強磁性体
反強磁性体は、結晶内で隣り合う原子のスピン（電子が持つ磁石の性質）同士が打ち消しあい、見かけ上は全体に磁気を持たないようにみえる物質。一般的な反強磁性体は隣り合うスピンが正反対の向きに共線的（コリニア）に並ぶ性質を持ち、コリニア反強磁性体と呼ぶこともある。これに対して図１のようにスピン同士が非共線的（ノンコリニア）に並んで全体の磁力を打ち消しあっている磁性体をノンコリニア反強磁性体と呼ぶ。

注2. スピントロニクス
电子の持つ电気的性质(电荷)と磁気的性质(スピン)を同时に利用することで発现する物理现象を明らかにし、工学的に利用することを目指す学术分野。例えば従来は不可能であった磁気的性质や磁化方向の电気的な検出や制御(スピントルク磁化反転)、电気伝导特性の磁场や磁化による制御などが可能となり、现在も様々な现象が発见され続けている。

注3. 磁化、磁気双極子
强磁性体（いわゆる磁石）ではＮ极とＳ极が対になって现れる。磁気双极子（または磁気双极子モーメント）はベクトル量であり、その大きさはＮ极、Ｓ极の磁荷とＮ极とＳ极の间隔の积であり、その方向はＳ极からＮ极に向かう向きで定义される。磁化は単位体积当たりの双极子磁気モーメントの総量で定义される。

详细（プレスリリース本文）