ハーフメタル材料の磁化歳差運動を電界で変調

大阪大学 大学院基礎工学研究科の山田 晋也 准教授、宇佐見 喬政 助教（研究当時）（現：先導的学際研究機構 講師）、浜屋 宏平 教授、京都工芸繊維大学 電気電子工学系の三浦 良雄 教授、慶應義塾大学 理工学部の能崎 幸雄 教授、名古屋大学 大学院理学研究科の谷山 智康 教授らの共同研究グループは、高性能スピントロニクス磁石材料（ハーフメタル材料）であるコバルト（Co）基ホイスラー合金磁石（Co2FeSi）と表面弾性波材料として有名な圧電体ニオブ酸リチウム（LiNbO3）からなる界面マルチフェロイク構造を作製することに成功し、ジュール発熱のない情報担体として応用が期待されている「スピン波（マグノン）」を利用した全電界制御型マグノニクスデバイスの実現の鍵となる技術を開発しました。ハーフメタル材料はスピン波の長距離伝搬が示唆される低磁気摩擦特性（低ダンピング定数）を示すため、従来よりも高性能なマグノニクスデバイスを実現できる磁化ダイナミクス（磁化の歳差運動）の電界変調を達成しました。

磁性体（磁石）中の磁化の歳差運動が波として伝搬するスピン波は、ジュール熱を伴わない超低消費電力情報担体として注目されており、「マグノニクス」と呼ばれる新たな研究分野に発展しています。その一方、これまでスピン波の励起（生成）および制御（ON/OFF）には、通常、アンテナ構造を用いた交流磁場の印加手法が利用されており、真の超低消費電力マグノニクスデバイスを実現するには、スピン波の励起および制御を全て「電圧印加」で実現する必要がありました。

本研究では、磁性体としてハーフメタル材料で知られるCo基ホイスラー合金磁石の一種であるCo2FeSiと、表面弾性波材料で有名な圧電体ニオブ酸リチウム（LiNbO3）からなるエピタキシャル界面マルチフェロイク構造を実証することに成功し、スピン波の長距離伝搬が示唆される低ダンピング定数の領域（0.004～0.006）で磁化ダイナミクスを電界で変調することに成功しました。これは、磁性体中のスピン波の伝搬距離を電界で制御するための基盤技術の構築を意味します。

今後、本成果と表面弾性波を利用したスピン波生成技術を融合することで、電界印加のみで動作する真の超低消費電力マグノニクスデバイスの開発に発展する可能性があります。

近年、IoT技術・AI技術がますます進展する中、半導体素子の発熱量の増加とそれに伴う消費電力の爆発的な増加が社会問題となっています。本成果は、ジュール熱を伴わない超低消費電力情報担体のスピン波（マグノン）を、省電力で制御するための基盤技術を提供するものです。今後、本成果をデバイス開発へと展開することにより、スピン波（マグノン）を活用した新しい情報処理素子、すなわち「マグノニクスデバイス」の実現に向けて、大きな波及効果が期待されます。

本研究成果に関する情報は、Wiley発行の「Advanced Science」（オンライン：2025年9月18日：日本時間）に掲載されました。