技科大ら,単結晶を超える多結晶磁性膜を発見

豊橋技術科学大学は,韓国明知大学,中国ハルビン工業大学,米マサチューセッツ工科大学,チリ テクニカ・フェデリコ・サンタ・マリア大学,米カリフォルニア大学サンディエゴ校,アイルランド トリニティ・カレッジの研究者らと共同で,ナノサイズの鉄が柱状に集まった鉄置換チタン酸ストロンチウム膜が,単結晶を超える大きな磁性および磁気光学特性を示すことを見出し,この膜を使ったシリコン光デバイスの作製に成功した(ニュースリリース)。

次世代コンピューターの開発が求められる中,スピントロニクスなどスピンを使ったデバイスの基盤となる材料開発の重要性が高まっている。最近では,人工的にナノスケールの構造を操作することで,自然界に存在し得ない超高性能な材料開発が進められている。しかし,数ある材料のなかでも,複合磁性酸化物は,その構造が最も複雑な材料系の一つであり,似たような構造をもつ材料システムであっても元素の数が僅かに異なると特性が極端に変わるなど,分かっていない部分が多くある。

今回,研究グループは共同で,ナノサイズの鉄が柱状に集まった鉄置換チタン酸ストロンチウム(STF)膜が,単結晶を超える大きな磁性および磁気光学特性を示すことを世界で初めて見出し,この膜を使ったシリコン光デバイスの作製に成功した。

幾つかの成膜圧力下で,シリコン基板上にバッファー層なしで直接STF膜を形成し,結晶構造や磁気特性をシステマティックに調べた。この中で,一定の圧力下で形成した試料だけ,室温環境下で,著しく大きな磁気および磁気光学効果を示すことが分かりった。磁性が増大された要因を調べたところ,クラスター上に鉄の成分が柱のように凝集したことにあることが明らかになった。

ほとんどの磁性酸化物システムで,原子や分子が緻密に並んだ単結晶の方が,並び方がバラバラな多結晶に比べて,磁性および磁気光学効果は大きいとされており,性能もよいと考えられてきた。しかし今回,ある一定の圧力下で形成したSTFでは,多結晶の方が磁気光学効果が大きくなった。

これらの結果は,基板を問わない多結晶膜の磁気および磁気光学膜としての応用可能性を広げるもの。研究グループは,開発した多結晶STF膜をシリコン導波路で作ったリング型の光干渉器と融合することで,0.1mmサイズの光アイソレータを形成し,動作をデモンストレーションしている。今後は,開発したSTFと光集積デバイス以外との組合せや,異なる材料システムでの類似現象の発現などが期待されるとしている。

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