東北大ら,スピンで反強磁性体内に恒常回転を誘起

東北大学と日本原子力研究開発機構は,強い磁気を内部に秘する「沈黙の磁石」反強磁性体に電子スピンを作用させたときに生じる現象を調べ,内部のカイラルスピン構造が無磁場中で恒常的に回転する新現象を発見した(ニュースリリース)。

今回研究グループは,独自に開発した高品質ノンコリニア反強磁性薄膜において,カイラルスピン構造の恒常回転運動という新現象を発見し,これによって従来技術よりも遥かに効率良く磁石内部の磁気構造を操れることを明らかにした。

研究で扱ったノンコリニア反強磁性体は,これまで研究が行われてきた材料系と比べて,膜厚が厚く,かつ磁場で操作しにくいものを電流で極めて効率的に制御できる。

研究グループは独自に開発した高品質薄膜形成技術を用い,代表的なノンコリニア反強磁性材料であるMn3Sn(マンガン-スズ合金)がW(タングステン)とTa(タンタル)の積層下地膜上に堆積され,Pt(白金)でキャップされた構造を作製し,ここに膜面内方向に電流を導入した時にMn3Snのカイラルスピン構造に誘起される現象を調べた。

膜面内方向に導入された電流により,W/Ta下地層,及びPtキャップ層におけるスピンホール効果を介して膜面直方向にスピンの流れが生じ,それが非共線的に配列した磁気モーメントに作用することでカイラルスピン構造が恒常的に回転することが明らかになった。

また理論計算からこの回転の速度はおよそ1GHz以上であり,モーターと同様に導入する電流の大きさに応じて回転速度が速くなることが分かった。

研究で扱ったノンコリニア反強磁性体は磁気モーメントが安定状態で非共線的(ノンコリニア)に配列していることを特徴とする反強磁性体。正味の磁化を持たないにも関わらず,有限の磁化を持つ強磁性体でのみ生じると考えられていた異常ホール効果や磁気光学効果などが発現することが明らかになり,近年その物性が精力的に調べられている。

2020年には磁場中で電流を印加することで強磁性体の磁化反転と同様にそのカイラルスピン構造を一斉に180度反転させられることが示された。一方でノンコリニア反強磁性体特有の現象やその機能性は明らかにはなってなかった。

研究グループは今後,発見されたカイラルスピン構造の恒常回転運動を利用することで,広い周波数帯をカバーする発振器や,信頼性の高い物理乱数生成器など,従来技術では実現できない新機能スピントロニクス素子の実現へと繋がっていくことが期待されるとしている。

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