阪大ら,超省エネ磁気メモリを実現する原理を発見

内閣府 総合科学技術・イノベーション会議が主導する革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)の一環として,大阪大学,高輝度光科学研究センター,東北大学,産業技術総合研究所,物質・材料研究機構らは,電圧により電気的に原子の形を変えることで超省エネ磁気メモリを実現する新しい原理を発見した(ニュースリリース)。

情報維持に電力を必要としない不揮発性メモリでは,スピントロニクス分野において,磁石の磁極が有する不揮発性を利用したMRAMが期待されている。しかし,現状はMRAMのセルである磁気トンネル接合素子への電流通電により情報を書き込む(N極とS極の反転)必要があり,半導体メモリと比べて書き込み時の消費電力が大きいことが課題となっている。

研究グループは,これまでに1000万分の5ミリメートルと非常に薄い金属磁石に電圧をかけることで,磁極が向きやすい方向(磁気異方性)を制御する技術の開発に取り組んできた。しかし電圧により磁気異方性を変化させる効率は100以下と小さく,応用レベルに必要とされる1000を大きく下回っていた。そこで電圧効果の機構解明と大きな電圧効果を示す材料の開発が待ち望まれていた。

放射光X線を用いると物質の内部情報を得ることができる。従来の電圧磁気効果の研究は効果の大きさ等の議論に留まり,物質内部の情報から電圧磁気効果を考察した研究は無かった。この研究の新規性は放射光X線を用いて初めて電圧効果の機構解明を行なった点,そしてこれにより電圧駆動型MRAMの材料設計指針を得た点にある。

研究開発チームはまず高品質な鉄プラチナ人工磁石を作製した。相対論的効果であるスピン軌道相互作用と電気磁気効果には相関がある。そこでスピン軌道相互作用が大きいことで知られるプラチナを有し,非常にきれいな結晶構造を形成できる鉄プラチナ磁石に着目した。

この高品質素子を使った実験は第一原理計算と呼ばれる理論計算との厳密な比較を可能にする。そして素子に電圧を印加しつつ,大型放射光施設SPring-8の磁性材料ビームラインおよび軟X線固体分光ビームラインを用いて,電圧磁気効果の原理解明の実験を行なった。

研究グループは放射光X線を用いた実験と理論計算により,140の電圧効果を示す鉄プラチナ磁石には2つの機構が混在すること,そして鉄プラチナ磁石は潜在的にを超える巨大な電圧効果を既に有していることを発見した。

原子は原子核とその回りを公転運動する電子から構成される。従来は電圧により原子の電子数が増減する機構Aが電圧効果の主要因であると考えられてきた。しかし電圧による電子数増減には限りがあり,この機構による電圧効果増大は困難であると考えられてきた。

一方,今回の研究では新たに機構Bを発見した。この機構は原子の変形,より具体的には電圧による電子分布変化として理解され,実験的には磁気双極子モーメントの変化として観測される。研究では電圧による磁気双極子モーメントの変化を大型放射光施設SPring-8での実験で観測した。

理論計算からは現状の鉄プラチナ磁石では機構Aと機構Bがほぼ相殺され,その結果として電圧効果が140程度であることがわかった。機構AおよびB自体は既に1000を超える電圧効果を有している。従って機構AとBが相乗する材料設計を行なえば,将来的に応用レベルの電圧効果1000を大きく超える材料開発が可能であることがわかった。

研究グループは今後,今回発見した材料設計指針をもとに実際に巨大電圧効果を示す材料開発を行ない,電圧駆動型MRAMの実現を目指す。

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