東北大学は、北海道大学電子科学研究所附属グリーンナノテクノロジー研究センターの海住英生准教授、西井準治教授、同大学院工学研究院の長浜太郎准教授、島田敏宏教授らが、東北大学多元物質科学研究所の北上修教授、ブラウン大学物理学科のシャオ・ガン教授と共同で、新現象である「逆磁気キャパシタンス(iTMC)効果」を発見したことを発表した。この成果は1日、英国のオンライン科学雑誌「Scientific Reports」に掲載された。
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実験データと計算結果の比較(計算に用いた理論モデル) |
電子の持つ電荷(電気量)とスピン(電子の回転に相当するもの)の2つの性質を利用するスピントロニクスは、次世代のエレクトロニクスとして注目を集めている。なかでも、ふたつの磁性層(磁気を帯びた層)の間に薄い絶縁層を挟んだ磁気トンネル接合は、室温でも大きな磁気キャパシタンス(TMC)効果を示すことから、世界中で研究が盛んになっている。TMC効果とは、2つの磁性層の磁化(磁石としての性質の向き)が互いに平行であるときキャパシタンスが「大きく」、反平行であるときは「小さく」なる現象であり、以前より広く知られていた。
研究グループは、その逆の現象、すなわち磁性層の磁化が平行であるときキャパシタンスが「小さく」、反平行のとき「大きく」なる現象の発現を目指し、従来にない接合構造の開発に挑んだ。そして、地球上にありふれた元素のひとつである鉄に着目した。この鉄を酸化させるとできる酸化鉄は、鉄と同じ方向に磁化させると電流を担う電子のスピン方向が鉄とは逆になる。これを利用して、通常のTMC効果とは逆の現象が見出せるのではないかと考えたという。
そこで、分子線エピタキシー法という高度な技術を駆使し、鉄と酸化鉄の間に薄い酸化アルミニウムを挟んだ、超高品質な磁気トンネル接合を作製。この接合を磁場中にセットし、キャパシタンスの振る舞いを調べたところ、鉄と酸化鉄の磁化が平行であるときキャパシタンスが「小さく」、反平行のとき「大きく」なる、つまり通常の TMC効果とは逆の現象になることがわかり、逆磁気キャパシタンス(iTMC)効果と名付けたという。
また、このiTMC効果は世界で初めての発見だったことから、周波数特性や直流電圧依存性など詳細な実験を何度も行い、再現性をしっかり確認したのに加え、理論的な検討も行ったところ、量子力学を取り入れた電荷蓄積理論によって実験結果を説明できることがわかった。
さらに、理論計算によると、窒化鉄とコバルト鉄ホウ素合金の間に薄い酸化マグネシウムを挟んだ磁気トンネル接合では、キャパシタンスの変化率(iTMC比)が、今回得られた鉄に関する値より約10倍も大きくなることもわかった。
今後、iTMC効果に関する研究が広く展開されることで、iTMC比の向上が見込まれ、高感度・低消費電力磁気センサーやメモリー誕生への道が切り拓かれるものと期待できるという。将来的には、磁気カードリーダーや GPS等の位置検出センサー素子、パソコンやスマートフォンに搭載されている不揮発性メモリーなどへの応用も考えられるということだ。
なお、この研究成果は、学内共同研究、附置研究所間アライアンス共同研究、日米2国間の国際共同研究、スピントロニクス学術研究基盤連携ネットワークにおける共同研究が実を結んだ成果であり、こうしたネットワーク型の共同研究が新現象発見をもたらした意義は大きく、今後の共同研究モデルケースのひとつにもなりえると説明している。
