大阪大学(阪大)と高輝度光科学研究センター(JASRI)は8月8日、HDDの情報読み出しなどに用いられる強磁性体/反強磁性体界面での強い磁気結合の微視的な起源を明らかにしたと発表した。

同成果は、大阪大学 白土優講師、中谷亮一教授、荒河一渡准教授(現 島根大学)、森博太郎教授、JASRI 中村哲也主幹研究員、鈴木基寛主幹研究員、木下豊彦主席研究員らよるもの。なお、研究の詳細は、8月8日付けの「Physical Review Letters」に掲載された。

異なる性質を持つ材料を接合させると、接合界面では単独の材料には表れない新しい効果が表れることがある。このような接合界面での新しい効果は、ナノサイズや原子レベルでの材料の特性を決める重要な効果であり、現在の半導体デバイスや磁気デバイスなどの電子デバイスには無くてはならないものとなっている。接合界面での特性は、異なる元素が接合界面で手をつなぐこと(結合)によって発生するが、異なる元素の結合がなぜ新しい効果を生み出すかについては不明な点が多く、電子デバイスに用いられる材料設計においても手探り状態なのが現状であり、磁性薄膜分野では重要トピックスの1つとなっている。

そうした中、交換磁気異方性がどうして現れるのか、その鍵を握っているのは接合界面にある反強磁性スピンだと考えられてきた。しかし、反強磁性体は外部に磁束を出さないため、その微小な信号を検出することが困難であった。そこで研究グループは、反強磁性スピンからの微小信号を検出する方法として、放射光を利用したX線磁気円二色性(X-ray Magnetic Circular Dichroism:XMCD)を採用することで信号検出に挑んだ。XMCDは、反強磁性スピンからの微小信号を強磁性体からの強い信号から選択的に分離して検出でき、過去にも強磁性体/反強磁性体の研究に用いられてきた。しかし、交換磁気異方性を担う反強磁性スピンに関する最大の謎とされる"交換磁気異方性が作用する場合、反強磁性スピンは動くのか動かないのか"については明らかにされていなかった。この原因は、これまでの研究で対象とされてきたMn系の反強磁性体では、反強磁性スピンの方向が最少でも6つの方向を向くことができるため、反強磁性スピンの方向を特定できないことにあった。そこで、研究グループでは反強磁性スピンの方向を上/下向きの2つの方向に限定できる強磁性Co/反強磁性Cr2O3薄膜に着目して、SPring-8の軟X線固体分光ビームライン(BL25SU)においてXMCD実験を行った。

図1 これまで用いられてきた反強磁性体(Mn系合金。例えばMn3Ir)と今回の研究で用いた反強磁性体の反強磁性スピン方向の違い。(a)に示したこれまでの反強磁性体では、反強磁性スピンの方向が多数(最少で6方向)あるため、個々の反強磁性スピン方向を特定することが困難だったが、(b)に示した今回の研究で用いた反強磁性体では、反強磁性スピン方向を上/下向きの2方向に限定できるため、反強磁性スピン方向を決定することが可能になった

その結果、反強磁性を担うCrスピンは、まったく動かないわけではなく、少し傾くだけで完全にひっくり返ることはないことが明らかになった。具体的には、非補償反強磁性スピンをこれまでにない強度で検出し、この非補償反強磁性スピンが完全な固着ではなく、わずかに傾くことが可能であることを明らかになったという。

図2 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は、これまで(a)動くのか、(b)動かないのかが最大の謎とされてきた。この謎を解明するには、反強磁性スピンの方向を高精度に決定する必要があり、図1(b)に示した反強磁性体を用いて、反強磁性スピンの方向を限定することで、(c)に示したように、反強磁性スピンは傾くがひっくり返らない、とする新しい結論を得た。接合界面の反強磁性スピンが傾くことで、反強磁性体に「ねじれたスピン構造」が生じる。この「ねじれたスピン構造」が、反強磁性体と強磁性体の接合界面での交換磁気異方性の鍵を握っており、今後のスピンエレクトロニクスデバイスでは、「スピンのねじれ」を効果的に発生できる反強磁性体を開発することで、高い交換磁気異方性を生み出すことができる

今回の研究によって、交換磁気異方性が作用した系での反強磁性スピンの挙動が明確になった。これは、交換磁気異方性が発見された1956年以来、論争されてきたテーマに明確な解答となる結果となったと研究グループでは説明している。今回の研究で明らかとなった反強磁性スピンの性質は、反強磁性体の中に「ねじれたスピン構造」が生じることが証明されたこととなる。この構造は、交換磁気異方性の発現には必須とされてきたが、これまで、その存在を直接的に観測した例はなかった。

この「ねじれたスピン構造」を反強磁性体の中に効果的に発生させることで、より高い交換磁気異方性を発生させることができ、交換磁気異方性の大きさと「ねじれたスピン構造」の幅はデバイスに搭載できる反強磁性体をどこまで薄くできるかを決める重要なパラメータとなるため、交換磁気異方性は、今後も磁気メモリなどのスピンエレクトロニクスデバイスの開発に大きな役割を担うものと考えられる。そのため、今回の結果は、次世代スピンエレクトロニクスデバイスに向けた高い交換磁気異方性を発生させるための指針として利用することができ、これまで手探り状態で続いてきた材料開発の活用指針となることが期待できると研究グループではコメントしている。