東北大，反強磁性体を軌道相互作用により制御

東北大学は，反強磁性体に電流を流すとスピン（磁気）の流れが生じることを見出し，これによって隣接する強磁性体の磁化を反転させることに世界で初めて成功した（ニュースリリース）。

ナノメートルスケールの強磁性体の内部はスピンが一方向に揃って磁化しており，情報を記録するためにはこの磁化の方向を反転させる必要があるが，ここ数年，量子相対論的効果であるスピン・軌道相互作用を利用する方法が高速，かつ信頼性の高い磁化反転を実現する新しい手法として注目を集めている。

これまでの研究から，非磁性重金属（白金，タンタルなど）と強磁性体を積層させた系に電流を流すと，スピン・軌道相互作用によって電流と直交する方向にスピンの流れが生じて強磁性体の磁化にトルク（スピン軌道トルク）が働き，磁化を反転させられることが分かっており，スピン軌道トルク磁化反転と呼ばれている。

スピン軌道トルク磁化反転を高速で行なう場合には定常的な一方向の外部磁場を印加する必要があり，これが応用上の課題だった。研究グループは，スピン軌道トルク磁化反転に反強磁性体と呼ばれる材料を用いることを考えた。反強磁性体とは，その内部において隣り合う原子間でスピンが互い違いの方向に向いた物質であり，全体としては磁化を持たない。

今回，研究グループは反強磁性体と強磁性体を積層させた系におけるスピン軌道トルク磁化反転を調べた。具体的には，反強磁性材料である PtMn（白金マンガン）と強磁性材料であるCo/Ni（コバルトニッケル）膜を積層し，微細加工技術を用いて電気的な評価が可能な素子を形成した。

作製した素子に電流を導入したときの強磁性体の磁化状態を評価し，主に以下の3つの点を世界で初めて明らかにした。
・当積層膜に電流を導入すると反強磁性体内でスピンの流れが誘起され，強磁性体の磁化を反転させるのに十分なスピン軌道トルクが発現することを明らかにした。
・上述の磁化反転が外部磁場を印加することなく実現されることを明らかにした。
・反強磁性体の膜厚がある範囲にあるとき，導入した電流の大きさに応じて反転する磁化の量がアナログ的に変化することが分かった。

この研究によって，スピン軌道トルク磁化反転の応用上の懸案であった外部磁場が必要であるという問題が反強磁性体を用いることで解消できることがわかった。この知見は超低消費電力集積回路応用を目指したスピン軌道トルク磁化反転を用いた磁気メモリ素子の開発を促進するものと期待されるという。

またアナログ的な振る舞いについては従来の固体メモリ素子にはない特性であり，既存の情報処理の枠組みを刷新する技術へと発展する可能性をも秘める。今回の研究で確認されたアナログ的な振る舞いはシナプスが有する性質と類似していることから，今後の研究開発によって反強磁性／強磁性素子が人工的なシナプスとしての要件を満たせば，脳型情報処理を高効率に実現するためのキーデバイスとなることも期待されるとしている。