東大，産総研が開発した結晶に不揮発性メモリ効果を示す電気分極成分を発見

東京大学の研究グループは，産業技術総合研究所で最近作製に成功したビスマスフェライトの良質な単結晶試料に対し，強磁場下における磁気的および電気的応答を精密に調べた。

この精密測定に必要な試料の整形は上智大学の装置を用いて行なった。その結果，これまで知られていた結晶のc軸と平行な電気分極の他に，これと垂直な電気分極が存在すること，そしてこの新たな電気分極成分が磁場によって制御可能であることがわかった（ニュースリリース）。

磁性と強誘電性が共存するマルチフェロイック物質は，将来の省電力メモリデバイスの候補として盛んに研究されてきた。しかしこれまでに見つかったマルチフェロイック物質のほとんどは，マイナス200 ℃以下の温度でしかその特性を示さず，実用化に向けた大きな障壁となっていた。

その中で唯一，ビスマスフェライトが室温でマルチフェロイック特性を示すことが広く知られていたが，実用上は磁性と誘電性の片方を変化させたときにもう片方も変化するという性質が重要となる。今回，この磁性と電気分極との結合について，これまで認識されていなかった新たな現象が発見された。

ビスマスフェライトでは，結晶中のある方向（Q）に向かって磁気モーメントの向きが連続的に変化するらせん磁気秩序を起こしている。今回の研究では，このQをX方向に向けた時，Y方向（正負は不明）に電気分極が生じることを示した。福岡大学と青山学院大学の理論グループは，このQと垂直方向に生じる電気分極の微視的な説明に成功しており，今後の関連物質の物質設計にも新しい指針となることが期待される。

ビスマスフェライトでは安定な三つの磁気構造がある。磁場を加えると，磁場と垂直方向を向いたQをもつ状態が安定になるため，この三つの状態のうち一つを選択的に実現できる。それにともなって磁気秩序に付随する電気分極も120度ずつ回転した三つの状態のうち，一つを選択することができる。一度磁場を加えて状態を変えると，磁場を取り除いた後でも変化後の状態が続くため，不揮発性メモリとしての性質を備えている。

今回発見した新しい電気分極を使ったメモリ効果は，将来の磁気メモリ（かつ強誘電メモリ）としての使用が期待できるという。実用的なメモリ材料として考えた時，この物質の利点として以下の三つの特徴が挙げられる。

①　動作環境
ビスマスフェライトのマルチフェロイック状態は300 ℃以上まで続くことが知られており，今回のメモリ効果は少なくとも室温（27 ℃）までは観測されている。またこれまでの磁気メモリーでは磁石を近づけると情報が消えてしまうという問題があったが，ビスマスフェライトの電気分極は，最強の永久磁石による磁場（1テスラ）程度ではほとんど変化しておらず，日常生活における磁場範囲では安定。

②　3値のメモリ
この物質で安定ならせん磁気秩序の方向，それに付随した電気分極の方向は三つある。この三つの状態を使うと，これまでの0と1の2値メモリではなく，3値のメモリーになる。N個のビットで現せる状態が，これまでの2N個から3N個に増えるため，より高密度の情報記録にも応用できる可能性がある。

③　作製の容易性
物質自身がメモリとしての機能を保有しているため特殊な構造を作る必要がなく，高密度記録に必要な微細化が容易。また比較的単純な構造を持ち，かつ使用元素の種類が少ない点も，将来の量産化に向けたメリットとなる。

今回の研究では，磁場による電気分極の制御を示したが，省電力メモリとしての実用化には電場による状態の制御が必要。その実証は今後の課題だが，これまでのビスマスフェライトに対する報告を今回の成果に照らして考えると，電場による制御は十分可能であると研究グループは予想している。今後は，実際のメモリとしての動作に必要な電場による磁気秩序，電気分極の制御とその直接観測を目指して研究を発展させるとしている。