東大,室温で異常ホール効果を示すワイル反強磁性体を薄膜化

東京大学は,米ジョンズ・ホプキンズ大学と共同で,室温において強磁性体に匹敵するほど大きな異常ホール効果を自発的に示す,反強磁性体薄膜を開発した(ニュースリリース)。

近年,磁気メモリをはじめとする磁気デバイスの高集積・高速化への期待から,強磁性材料の反強磁性材料への代替に期待が高まっている。その有力候補として,マンガン(Mn)とスズ(Sn)からなるワイル反強磁性体Mn3Snが注目されている。

Mn3Snは,強磁性体のみで現れる異常ホール効果や異常ネルンスト効果,磁気光学カー効果などの巨大な応答が室温・ゼロ磁場下で現れ,外部磁場による制御が可能であるため,反強磁性体と強磁性体両方の有益な機能を併せ持つ「次世代の磁性材料」として盛んに研究されている。しかしながら,これらの物性はバルク試料のみで観測されており,デバイスとして実用化するためには,同等の機能性を薄膜で実現することが必要とされていた。

今回,研究では,Mn3Snを,スパッタリング法を用いてシリコン基板上に作製することに成功した。さらに,数十nmのMn3Sn多結晶薄膜が,バルク単結晶試料や強磁性体に匹敵するほど大きな異常ホール効果を示すことを実証した。

この薄膜では,①Mn3Sn自体が無毒・安価な元素で構成されている,②均一性の高い大面積の薄膜作製が可能なスパッタリング法を用いている,③製造コスト面に優れ,既に成熟しているシリコンデバイス関連技術を適用できるシリコン基板での作製が可能である点がデバイス応用上の顕著な利点として挙げられる。

強磁性体と同様に電気・熱・光に対して巨大な応答を示す反強磁性体Mn3Snは,強磁性体と反強磁性体の両方の機能性を併せ持つ次世代の磁性材料であり,研究の成果である薄膜技術を用いることで,今後実用化を目指した機能性反強磁性体の応用研究が急速に進んでいくことが期待されるという。

その具体的な応用例として,今回観測した「異常ホール効果」を用いた高速・高密度な不揮発性磁気メモリや,バルク試料で既に確認されている熱・光に対する応答を用いることで,エナジーハーヴェスティング分野で注目されている“熱を電気に変換する”異常ネルンスト効果を用いた熱電変換素子への適用を挙げる。

異常ネルンスト効果では,熱流に垂直に配置された電極間に電圧が生じるため,この薄膜作製技術を用いて素子の大面積化・高集積化を行なうことでより大きな発電電圧を得ることが可能となる。研究グループは今後,新たなワイル反強磁性体の探索を行なうとともに,実用化へ向けたデバイス作製とその機能性の開拓を行なっていくとしている。

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