東北大ら，高温強磁性発現の謎解明に向け大きく前進

東北大学と日本原子力研究開発機構を中心とする研究グループは，東京大学，広島市立大学，熊本大学，高輝度光科学研究センターとの共同研究により，酸化物高温強磁性半導体に潜む亜酸化ナノ構造体を原子レベルで三次元的に可視化することに成功し，高温強磁性発現の謎解明に向けて大きく前進した（ニュースリリース）。

磁石の性質（強磁性）と半導体の性質を併せ持つ強磁性半導体は，電力を必要としない磁気スイッチングデバイスとして省エネルギー社会を実現するスピントロニクス材料の第一候補として注目されている。これを情報処理機器などに実装させる場合には，室温以上の温度で動作させることが必要だが，多くの強磁性半導体のキュリー温度は0℃以下を示すため，実環境では強磁性を失ってしまい，その特性を発揮しない。

その中で，磁性元素であるコバルトを5%の濃度で添加した酸化チタン（TiO₂）薄膜は，キュリー温度が300℃と際立って高く，実用化が大きく期待されている。しかし，何故このような高いキュリー温度を示すのか，その理由は発見以来の謎とされてきた。

研究では，原子配列を三次元可視化できる蛍光X線ホログラフィを用いてコバルト添加酸化チタン薄膜を観測したところ，コバルト周辺では周辺の酸素やチタンと協調して，10数原子から成る亜酸化ナノ構造体を形成していることを発見した。

亜酸化物とは金属などが僅かに酸化した化合物を指し，自然界では存在し得ない極めて不安定な状態。それがコバルトの磁性を増強するナノ構造体として酸化チタン薄膜の中に埋め込まれ，キュリー温度の劇的な向上に関与していることは驚くべき事実だという。

今回の成果により，コバルトを中心とした機能発現サイトの特異な構造が材料の高機能性に強く影響していることを実証した。研究グループは今後，高機能を創出する機能発現サイトのデザインとそれを実現する薄膜作製技術の高度化を強力に推し進めることにより，強磁性半導体の実用化，ひいては我が国の推進するグリーンイノベーションに大きく貢献するとしている。