東京大学(東大)、産業技術総合研究所(産総研)、科学技術振興機構(JST)の3者は12月3日、反強磁性体でありながら強磁性のような応答を示す特殊な構造の「キラル反強磁性体」において、これまで使われてきた強磁性体よりも高い周波数で安定動作可能な「スピントルクダイオード効果」を初めて発見したと共同で発表した。

  • (左)今回の研究内容の模式図。(右)得られた整流電圧信号の実際のデータ

    (左)今回の研究内容の模式図。Mn3Snとタングステンとの二層膜に直流電流とマイクロ波電流を印加すると、マイクロ波の印加に応じた横方向の直流電圧が現れる。(右)得られた整流電圧信号の実際のデータ。マイクロ波を印加すると、マイクロ波のパワーに比例した特徴的なピーク構造を持つ電圧信号が現れる(出所:JSTプレスリリースPDF)

同成果は、東大 物性研究所(物性研)の坂本祥哉助教、同・甲崎秀俊大学院生(東大大学院 新領域創成科学研究科 物質系専攻)、同・志賀雅亘特任研究員(現・九州大学大学院 工学府エネルギー量子工学部門 助教)、同・浜根大輔技術専門職員、同・三輪真嗣准教授(東大 トランススケール量子科学国際連携研究機構 准教授兼任)、東大 先端科学技術研究センターの野本拓也講師(現・東京都立大学 理学部 物理学科 准教授)、同・有田亮太郎教授(東大大学院 理学系研究科 教授/理化学研究所 創発物性科学研究センター チームリーダー兼任)、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、同・中辻知教授(物性研 特任准教授/東大 トランススケール量子科学国際連携研究機構 機構長兼任)、産総研 新原理コンピューティング研究センターの日比野有岐研究員、同・山本竜也主任研究員、同・田丸慎吾主任研究員、同・野﨑隆行研究チーム長、同・薬師寺啓総括研究主幹、高輝度光科学研究センターの小谷佳範主幹研究員、同・中村哲也主席研究員(東北大学 国際放射光イノベーション・スマート 教授兼任)らの共同研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

これまでのスピントロニクスでは、磁化の大きさに比例して電気や光などに大きな応答を示す強磁性体が活用されてきた。しかし、2つの強磁性体で絶縁体を挟んだ磁気トンネル接合素子においては、マイクロ波電流を印加すると直流電圧が発生するスピントルクダイオード効果の信号の強さが、周波数が高くなるに連れて反比例して大幅に減少するという課題があった。そこで研究チームは、高周波数でのダイオード信号の減衰を解決するため、反強磁性体に着目したという。

反強磁性体では、交換相互作用という高いエネルギーが顕在化するため、強磁性体に比べ格段に大きな共鳴周波数を持ち、高い周波数帯においても安定したダイオード動作が期待されている。しかしその一方で、通常の反強磁性体は磁化がないため、強磁性体のような大きな応答が得られない。そこで研究チームは今回、マンガンとスズの合金でキラル反強磁性体「Mn3Sn」を用いたとする。

今回の研究ではまず、7nmという厚みのMn3Snの薄膜がタングステン薄膜上に作製された。この二層膜は、電流が流されると、タングステン層において電流がスピン流に変換されてMn3Sn中に注入され、Mn3Snのスピン運動が誘起されるという特徴を持つ。

この薄膜がデバイスに加工され、磁場をかけながら、5GHzのマイクロ波電流と直流電流を同時に印加する実験が行われた。すると、マイクロ波電流の印加に応じて、そのパワーに比例する特徴的なピーク構造を持つ直流電圧が確認されたという。研究チームはこの結果について、反強磁性体を用いたデバイスでもスピントルクダイオード効果が発現したことが示されているとした。

また、印加するマイクロ波の周波数を30GHzまで変えながら実験を行った結果、ピークの大きさが30GHzまでの範囲でほとんど変化しないことが見出された。この振る舞いは、一般に強磁性体におけるダイオード信号が周波数に反比例し減少してしまうこととは本質的に異なるものだとしている。

その後この振る舞いを理解すべく、反強磁性体に特有の交換相互作用を考慮した詳細な数値シミュレーションが実施された。その結果、実験を見事に再現し、直流電流が駆動するスピンの運動が磁場によって抑制される際に、効率的にマイクロ波と相互作用し整流作用を生み出すことが突き止められた。これにより、実験で観測された周波数に対する安定な動作が、反強磁性体で顕在化する強い交換相互作用によるものであることが明らかにされた。

  • 反強磁性体と強磁性体の整流効果の違い

    反強磁性体と強磁性体の整流効果の違い。強磁性体(黒点線)では、周波数に反比例して急激に電圧が低下するのに対し、今回の成果である反強磁性体(赤丸)では3GHz超までほぼ一定の電圧を示し、安定していることがわかる。またこの実験値は、シミュレーション結果(橙線)ともよく一致していたという。整流電圧信号の強さは、5GHz時のシミュレーション上の信号の強さが1とされている(出所:JSTプレスリリースPDF)

研究チームは今回の成果について、スピントルクダイオード効果を反強磁性体で初めて実証したものになるとしており、反強磁性体を用いることで、これまでにない広い周波数範囲での動作が可能となったとする。なお今回の研究の要素技術は現在、JST 未来社会創造事業で開発が進められているスピントロニクス光電融合デバイスにおける書き込みと磁気シフトレジスタの高速動作に資するものだ。これにより、スピントルクダイオードはテラヘルツ波に至る高周波数領域での応用が見込まれ、次世代スピントロニクス、および次世代の通信技術であるBeyond 5Gの発展に貢献することが期待されるとしている。