大阪大学 (阪大)と高輝度光科学研究センター(JASRI)、東北大学(東北大)の3者は、HDDの情報読み出しなどに用いられている強磁性体/反強磁性体界面での強い磁気結合を温度を一定に保った状態(等温状態)で反転する様子を可視化することに成功したと発表した。

成果は大阪大学の白土優 講師、中谷亮一 教授、JASRIの中村哲也 主幹研究員、木下豊彦 主席研究員、東北大学の野尻浩之 教授、鳴海康雄 准教授、三俣千春 客員教授らによるもので、日本学術振興会　科学研究費補助金の研究費支援を受け、SPring-8の利用研究課題として実施された。研究の詳細は、米国物理系雑誌「Applied Physics Letters」にオンライン掲載された。

磁性をもつ物質の代表的なものとして、強磁性体と反強磁性体がある。このうち、強磁性体は自発的に磁化を有することから古くから磁石やモータ、磁気記録をはじめとした磁気デバイスなどに広く用いられている。反強磁性体は、物質内で磁性を担う磁気スピンの方向が、互いに反対方向を向くため、外部に磁束を出さず、単体では磁石としての性質を持たない。このため、実用化されてこなったが、反強磁性体を強磁性体と接合させることで、その接合界面で非常に強い磁気特性を発揮することが分かり、この効果は交換磁気異方性あるいは交換バイアスと呼ばれ、近年ではHDDの読み取りヘッド、磁気ランダムアクセスメモリなどのスピンエレクトロニクスデバイスに広く活用されている。

しかし、これまでの交換磁気異方性は、デバイスの作製プロセス段階に植えつけて一度方向を固定すると、強度や方向を変化させることができなかった。もし、この方向をデバイス中で変化させることができれば、スピンエレクトロニクスデバイスへの情報入力方法が従来の2倍に増えるため、新しい機能を加えることができる。また、現在の交換磁気異方性には、レアメタル(Ir)を含むMn-Irに依存しており、希少金属を用いない新しい反強磁性体の開発も求められていた。

交換磁気異方性の方向は、強磁性体と反強磁性体の接合界面にある反強磁性スピンの方向によって決定する。つまり、反強磁性スピンの方向を引っくり返すことができれば、交換磁気異方性の方向を引っくり返すことができるが、実現されてこなかった。実現できなかった最大の原因は、反強磁性スピンが磁界中でどのように振る舞うか、反強磁性スピンが磁界中で動くのか動かないのかが明らかにされてこなかったことにある。

反強磁性体は、外部に磁束を出さないため、従来はその微小な信号を検出することが困難だった。そこで研究グループでは、大型放射光施設SPring-8の軟X線固体分光ビームライン(BL25SU)を利用して、非常に強い磁界(10万ガウス)を用い、反強磁性スピンを無理矢理引っくり返すことに挑戦。交換磁気異方性の方向を反転し、接合している強磁性体のスピンを転させることに成功した。

図1　強い磁界による交換磁気異方性反転の概念図。交換磁気異方性の下では、強磁性体のスピンを反転させても、反強磁性体のスピンの方法がわずかな変化では反転しないことを突き止めた。この知見を利用し、非常に強い磁界によって反強磁性体のスピンを無理やり反転させることで、交換磁気異方性の方向を反転させ、強磁性体のスピンの方向を反転させることに成功した。

また、SPring-8の放射光X線を利用したX線磁気円二色性(X-ray Magnetic Circular Dichroism:XMCD)測定によって、交換磁気異方性に重要な僅か数原子層の磁気特性を超高感度に解析。これを用いて反強磁性スピンの微小信号を検出し、スピン反転の様子を可視化することに成功した。

図2　強い磁界を使って交換磁気異方性の方向が変化する様子。図の横軸は磁界の強さ、縦軸はスピンの方向を表している。左上、右下の図で、曲線の中心位置が磁界0の位置からのズレの量が、交換磁気異方性の強さを表し、ズレの方向が交換磁気異方性の方向を表している。非常に強い磁界を使うことで、交換磁気異方性の方向を行ったり来たりさせることに成功している。((A)ではズレが外部磁界の正の方向、(C)ではズレが外部磁界の負の方向)

図3　強い磁界を使うことで、反強磁性スピンの方向が引っくり返っている様子。図の横軸は放射光から発生する光子のエネルギー、縦軸はスピンの方向を表している。強い磁界を印加した後に、縦軸の符号(反強磁性スピンの方向)が反転していることを示している。また、強い磁界の方向によって、元の状態に戻すこともできる。

今回の研究により、これまでは反転できなかった強磁性体/反強磁性体の強い磁性の方向を反転できるようになった。これは、1つの入力方式しかなかったこれまでのスピンエレクトロニクスデバイスに、2つ目の入力方式を加える画期的な成果と言える。今回用いた磁界は、実デバイスに応用するには大きすぎるため、このデバイス技術は直ぐには実現しないかもしれないが、「反転が可能である」という事実を示したことにより、今後の開発研究に動機を与えたという意味では重要と言える。

さらに、この機能性を実現した材料は、現在、反強磁性体として広く用いられているMnIrと異なり、レアメタル(Ir)を含まず、安価で豊富なCr酸化物(Cr2O3)という点も、希少金属代替の観点から非常に意義深いものとなっている。さらに、同技術を利用すれば、異なる半導体素子が別々に行っている2つの機能(演算と記録)を1つに集約した磁気メモリに応用できる可能性があり、電力をほとんど使わないコンピュータの実現に向けた基盤技術になる可能性があるとコメントしている。

図4　従来の半導体メモリ、スピンエレクトロニクスでのスピンメモリ、本成果を用いた新しいスピンメモリの比較。従来の半導体メモリは、キャパシタに電荷(チャージ)が有るかないかで情報を記録しているため、常に通電が必要。スピンエレクトロニクスデバイスでは、情報は強磁性スピンの向き(磁石のN/S極の向き)で決まるため、電源を切っても情報は失われない。従来のスピンエレクトロニクスデバイスは、情報入力が1つであり、図中の強磁性体2のスピン方向を固定したままの「もったいない使い方」をしていたが、今回の技術を上手く使えば、2つの強磁性体のスピンの方向を両方とも制御できるようになる可能性がある。