理研ら,面直スピンによる有効磁場の発現に成功

理化学研究所(理研)と東京大学は,トポロジカル反強磁性体Mn3Sn(Mn:マンガン,Sn:スズ)単結晶薄体の表面に蓄積する面直スピン(面直スピン蓄積)を用いて,有効磁場(フィールドライクトルク:FLトルク)を発現させることに成功した(ニュースリリース)。

常磁性重金属と強磁性金属の二層デバイスに電流を流すと,常磁性重金属のスピンホール効果によって界面にスピンが蓄積する。

この電流によるスピン蓄積効果は隣接する磁性体にトルク(回転させる力)を与え,磁化方向を制御性良く反転できることから,スピントロニクスデバイスの駆動原理として重要な現象の一つとなっている。

これまでの研究では,白金などのスピン軌道相互作用の強い遷移金属におけるスピンホール効果や,トポロジカル絶縁体などの特殊な表面状態を用いたエデルシュタイン効果を利用することで,電流による磁化制御が実証されてきた。また,より省電力な磁化制御を実現するため,高効率な電流-スピン変換現象を目指した検証実験が続けられている。

一方,このような従来のスピンホール効果では,原理的に界面に蓄積するスピンの向き(偏極方向)は,膜面内に固定されている。このため,応用上重要な垂直磁化膜における磁化反転には最適ではないことも知られていた。

そこで,研究グループは近年発見された「トポロジカル反強磁性体」におけるスピンホール効果に着目。このグループではこれまでに,この材料におけるスピンホール効果は従来とは異なり,トポロジカル反強磁性体の微小磁化方向(磁気八極子の向き)を変えることで,表面に蓄積するスピンの偏極方向を制御できる「磁気スピンホール効果」であることを明らかにしている。さらに,スピン蓄積が面直方向に偏極することも理論的に予測している。

今回の実験では,この面直スピン蓄積に注目し,隣接する磁性体にどのようなトルクを与えるのか実験的に明らかにした。この成果は,トポロジカル反強磁性体が,磁性材料の磁化方向を制御するために用いられるスピントルク源として有用な材料であることが示すもの。

研究グループは今後,スピントロニクスデバイスにおいて,トポロジカル磁性材料を用いることで,高速でかつ省電力スピントロニクスデバイスの実現に向けた研究が発展することが期待できるとしている。

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