東京大学,大阪大学,東京工業大学,科学技術振興機構（ＪＳＴ）

令和６年１月１１日

東京大学
大阪大学
東京工業大学
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

スピントロニクス界面マルチフェロイク材料の開発指針を提示

～磁石中の軌道磁気モーメントの役割を明らかに～

ポイント

東京大学 大学院理学系研究科の岡林 潤 准教授、大阪大学 大学院基礎工学研究科の宇佐見 喬政 助教、浜屋 宏平 教授、同大学 大学院工学研究科の白土 優 准教授、東京工業大学 物質理工学院の合田 義弘 准教授らの共同研究グループは、高いスピン偏極率を有するＣｏ２ＦｅＳｉホイスラー合金磁石と優れた圧電性能を有するＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３－ＰｂＴｉＯ３（ＰＭＮ－ＰＴ）の積層構造からなる界面マルチフェロイク構造における、巨大磁気電気結合効果（高効率な磁化方向変化）の起源を明らかにしました。

強磁性体（磁石）と圧電体の接合構造からなる界面マルチフェロイク構造は、電圧印加により磁化方向を制御することができるため、半導体不揮発メモリーとして注目されている磁気抵抗メモリー（ＭＲＡＭ）などのスピントロニクスメモリーデバイスの新規情報書き込み技術として期待されています。ごく最近、浜屋教授らは、強磁性体として高いスピン偏極率を有するＣｏ系ホイスラー合金磁石の１つであるＣｏ２ＦｅＳｉと、高い圧電性能を有するＰＭＮ－ＰＴを組み合わせた界面マルチフェロイク構造を作製し、実用化の壁として存在していた１０－５秒／メートル台の磁気電気結合係数を世界で初めて実証しました。しかし、これらの材料の組み合わせにおいて、なぜ高い性能（高効率な磁化方向変化）が実現したのか起源は明らかになっていませんでした。

今回、研究グループは、界面マルチフェロイク構造に電界を印加しながらＸ線磁気円二色性（ＸＭＣＤ）分光を測定する技術（オペランドＸＭＣＤ分光）を用いることで、電圧印加による磁化方向に変化が生じる際に、Ｃｏ２ＦｅＳｉ中のＦｅの軌道磁気モーメントが顕著に変化することを実験的にＸＭＣＤスペクトルから捉えることに成功しました。さらに、この実験結果と第一原理計算による理論的な考察の結果、圧電体（ＰＭＮ－ＰＴ）から生じるひずみがＣｏ２ＦｅＳｉ中のＦｅの軌道磁気モーメントを変化させることから、磁化方向が高効率に膜の面内にて変化することを明らかにしました。

近年ＩｏＴ技術・ＡＩ技術がますます進展する中、半導体素子の消費電力が爆発的に増加することが予想されています。その中で本成果は、不揮発メモリー素子として期待されるＭＲＡＭを含む全てのスピントロニクス素子における低消費電力での磁化方向制御技術のための「界面マルチフェロイク材料」に関する基礎物理学の理解を進展させるとともに、軌道弾性からの同材料の設計指針を提示するものです。

本研究成果は、２０２４年１月１０（英国時間）に「ＮＰＧ Ａｓｉａ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」に掲載されます。

本研究は、以下の事業の支援を受けて行われました。
科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業 チーム型研究 ＣＲＥＳＴ 研究領域「実験と理論・計算・データ科学を融合した材料開発の革新」（研究総括：細野 秀雄 東京工業大学 栄誉教授／元素戦略研究センター長）研究課題「界面マルチフェロイク材料の創製」（研究代表者：谷山 智康 名古屋大学 大学院理学研究科 教授、課題番号：ＪＰＭＪＣＲ１８Ｊ１）、科研費 基盤研究（Ｓ） 研究課題「トンネル磁気抵抗効果の新展開：軌道対称性効果の解明と新規量子デバイスの創出」（課題番号：２２Ｈ０４９６６）、科研費 基盤研究（Ｓ） 研究課題「ゲルマニウムスピンＭＯＳＦＥＴの実証」（課題番号：１９Ｈ０５６１６）、スピントロニクス学術研究基盤と連携ネットワーク（Ｓｐｉｎ－ＲＮＪ）。

＜プレスリリース資料＞

＜論文タイトル＞

“Strain-induced specific orbital control in a Heusler-alloy-based interfacial multiferroics”
ＤＯＩ：10.1038/s41427-023-00524-6

＜お問い合わせ先＞

（英文）“Toward efficient spintronic materials”

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