東大ら,最大の横磁気効果を持つ反強磁性体を発見

東京大学,東北大学,理化学研究所,金沢大学は,マンガン化合物Mn3Geの反強磁性体において,これまでにないゼロ磁場での巨大な異常ホール効果を見いだし,同時にネルンスト効果と呼ばれる磁気熱量効果が反強磁性体の中で最大値を示すことを発見した(ニュースリリース)。

消費電力削減のため,揮発性メモリの代わりに強磁性体の磁化方向を利用し,電力供給せずともデータ保持が可能な不揮発性記憶素子を使用したメモリ開発が進んでいるが,今後急速に増える情報量とともに集積化が進めば,記憶素子間の漏れ磁場の影響によりメモリ容量の限界が来ると考えられている。

従来の強磁性体材料では磁化に比例した横磁気効果,すなわち異常ホール効果や異常ネルンスト効果が現れるのが一般的だが,今回,従来の概念を打ち破り磁化がほぼない反強磁性体で従来の強磁性体金属と同程度のサイズの効果を,ゼロ磁場室温のMn3Geで見いだし,ワイル粒子に起因する物質のトポロジカル効果であることを突き止めた。

ネルンスト効果とはホール効果と対をなす磁気熱現象であり,与えられた熱流と垂直に起電力が現れる現象。従来のゼーベック効果と異なり物質の熱流と起電力方向の配置が異なるため,熱電性能の自由度をさらに上げる革新的な技術。

磁性体の場合のネルンスト効果は異常ネルンスト効果と呼ばれ,Mn3Geでは低温でも反強磁性磁気構造は変わらず100Kではゼロ磁場で最大1.2μV/Kを示したという。従来は強磁性体のように内部に大きな磁場が発生するものでしか巨大な横磁気効果,すなわちホール効果やネルンスト熱起電力が発生しなかった。

反強磁性体で異常ホール効果と同様に異常ネルンスト効果でも大きな起電力が発生するということは,あたかも内部に巨大な仮想磁場があるかのように見える。

今回,従来の概念を打ち破り磁化がほぼない反強磁性体で従来の強磁性体金属と同程度のサイズの効果がゼロ磁場室温で見いだされた。従来の強磁性体の場合,自発磁化による漏れ磁場の影響があったが,反強磁性体の場合はスピンを反対向きに揃っているため全体のスピンが作り出す漏れ磁場はほとんどない。

特に,異常ホール効果は電流と垂直に得られる起電力応答のため素子構造が単純であること,マンガン化合物が二元系の廉価で毒性のない元素で構成されていることから不揮発性メモリ素子への展開が可能だという。

また反強磁性体材料は,理論的に強磁性体より高速動作が可能であることから,今後,消費電力を抑えたビッグデータの記録および高速処理をともに可能とする反強磁性不揮発性メモリ材料として期待できるとしている。

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