京大ら,磁性を電界で制御するメカニズムを観測

京都大学,高輝度光科学センター,東京大学,三重大学,電力中央研究所らの研究グループは,スピントロニクス材料として有用な白金(Pt)に電界を加えることでその磁性を制御できることを,SPring-8を用いた放射光実験で直接観測した(ニュースリリース)。

材料に電界を加えることによって,その電気的性質や磁気的性質を制御することができる。なかでも磁気特性の電界による制御は,磁気デバイスや磁気メモリへの応用を目指して,2000年初頭から現在まで盛んに研究されている。しかし,磁性金属においては,電界による磁性の変化がどのような仕組みで起るのかについては解明されていなかった。

電界が誘起する現象を,物質内部の電子の状態と結びつけて理解することができれば,より効率的な磁性の電界制御が可能となり,新たなデバイスの開発につながることが期待される。

研究では,スピントロニクス材料として用いられるコバルト(Co)と白金(Pt)の積層膜を研究対象とした。Ptは身近な貴金属であり触媒としても用いられるが,磁気的な性質にも特徴がある。Ptは単体では磁石の性質は持たないが,Coなどの磁性体と接合させるとその界面付近のPt原子は磁石になる。

研究グループは,このような強磁性状態にあるPtへの電界の効果とその背後にあるメカニズムを調べた。実験方法として,大型放射光施設SPring-8で,強電界を加えた場合のPt電極のX線磁気分光測定を行なった。その結果,強電界を加えたことによって誘起されたPtの電子構造と磁性に生じた変化を,X線吸収分光法(XAS)およびX線磁気円二色性(XMCD)を用いてそれぞれ捉えることに成功した。

実験で得られたスペクトルの変化を解析することによって,電界によるPtの電子構造と磁性の変化が,フェルミ準位の変位および軌道混成の変化というPt内部の電子状態の変化を引き起こすミクロなメカニズムから生じていることを明らかにした。この実験結果は第一原理計算ともよく一致し,推定されるメカニズムが妥当であることを立証した。

この成果は,材料に電界を加えた条件であっても,目的の元素の磁性や電子状態を高精度に観測できるという,放射光の特色を活用したユニークなものであるとしている。また,解明された電界効果の微視的メカニズムは他の磁性金属にも適用可能であるため,新規スピントロニクス材料の開発や将来の超低消費電力磁気メモリへの応用にもつながることが期待されるという。

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