反強磁性金属における超高速スピン反転の観測に東大などが成功

東京大学(東大)、東北大学、理化学研究所(理研)、科学技術振興機構(JST)の4者は4月15日、電子スピンの反転速度が反強磁性金属では10ピコ秒(ps)と高速であることを実証したと発表した。

同成果は、東大物性研究所(物性研)量子物質研究グループ/トランススケール量子科学国際連携研究機構の三輪真嗣准教授、東北大学際科学フロンティア研究所/東北大材料科学高等研究所(AIMR)の飯浜賢志助教、東大大学院工学系研究科物理工学専攻の野本拓也助教、東大物性研量子物質研究グループの冨田崇弘特任助教、東大大学院理学系研究科物理学専攻の肥後友也特任准教授(研究当時:東大物性研量子物質研究グループ特任助教)、東大物性研量子物質研究グループのIkhlas Muhammad大学院生、同・坂本祥哉助教、東大物性研ナノスケール物性研究部門/トランススケール量子科学国際連携研究機構の大谷義近教授(理研創発物性科学研究センター量子ナノ磁性研究チームチームリーダー兼任)、東大大学院工学系研究科物理工学専攻の有田亮太郎教授(理研創発物性科学研究センター計算物質科学研究チームチームリーダー兼任)、東北大 AIMRの水上成美教授、東大大学院理学系研究科物理学専攻/トランススケール量子科学国際連携研究機構の中辻知教授(東大物性研量子物質研究グループ特任教授兼任)らの研究チームによるもの。詳細は、国際科学雑誌「Small Science」にオンライン掲載された。

IT機器のさらなる低消費電力化を実現するキーテクノロジーの1つとしてスピントロニクスを活用した「不揮発性メモリ」であるMRAMがあるが、現状のMRAMは、セルに鉄やコバルトなどの強磁性金属が使用されており、情報の書き込み速度は1ナノ秒(ns)程度必要とされている。その高速化に向けて研究チームが着目しているのが、反強磁性金属だという。

中でも、研究チームが研究開発に注力しているのが、マンガン(Mn)とスズ(Sn)の合金で、磁極を持たない反強磁性体でありながら、強磁性体の磁極と類似の性質である「拡張八極子偏極」を有する特殊な反強磁性体である「トポロジカル反強磁性金属」の一種である「Mn₃Sn」で、そのスピン反転速度はピコ秒台と予想されているが、反強磁性金属が反転する様子は観測例がなく、そのスピン反転速度もあくまで予測に過ぎなかったという。

トポロジカル反強磁性金属Mn₃Snのスピン(左)および結晶構造(右) (出所:共同プレスリリースPDF)

そこで今回の研究では、Mn₃Snのスピンの動きを検出するため、高速で動く対象物の変化をコマ撮りで検出するストロボスコープ法を活用。その結果、1ps程度の速い周期での振動が読み取ることに成功したという。また、個々のスピンがすべて同じ方向に運動する強磁性体と類似した振動モードの場合は、数十ps秒という比較的遅い振動が減衰する様子が判明したという。

(a)ストロボスコープ法による測定系概略。励起パルス光に対して遅延時間が設けられた上で検出パルス光が入射され、Mn₃Snにおけるスピンの動きが検出される。(b)隣接した個々のスピンが互いに反対方向に運動するモードIの観測結果。1ps秒程度の速い周期で振動が見てとれる。(c)個々のスピンがすべて同じ方向に運動する、強磁性体と類似したモードIIの観測結果。この振動モードが、トポロジカル反強磁性における拡張八極子の振動モードに対応する。数十ps秒の比較的遅い振動が、速く減衰する様子がわかる。この高速減衰が、Mn₃Snにおいて高速スピン反転が可能であることを示しているという (出所:共同プレスリリースPDF)

この減衰定数10ps以下の高速減衰は、高速スピン振動の源である交換相互作用のおかげで、スピン運動の摩擦に相当する磁気ダンピングが約1と大きいことに由来しているとのことで、このMn₃Snにおける拡張八極子偏極の磁気ダンピング定数は、これまでに報告された磁性体の磁気ダンピングの中で最高値だという。

今回の研究により判明した2つのこと (出所:共同プレスリリースPDF)

また、今回の研究により実験的に得られたMn₃Snのスピン振動を記述する物理パラメータ群を用いると、拡張八極子偏極で作られたドメイン壁が10km/sで動き得ることも判明。これらについて研究チームでは、Mn₃Snを用いてメモリなどの電子デバイスを作製した場合、テラヘルツ領域での高速動作が可能であることを意味するものであるとしている。

なお、研究チームでは、今回の研究で対象材料とされたトポロジカル反強磁性金属Mn₃Snは、強磁性金属同様にスピン軌道トルクを用いて電気的にスピン方向を制御できることが確認済みであり、今後は、磁気メモリをはじめとした電子デバイスにおける電気的な高速動作を実証していく予定だとしている。