強相関電子材料ナノドットの電場による磁化反転を実証ー分極と磁化のトポロジカル構造を制御し高密度・超低消費次世代メモリへー

2026-06-18 東京科学大学

東京科学大学と神奈川県立産業技術総合研究所の共同研究チームは、マルチフェロイック材料BiFe₀.₉Co₀.₁O₃(BFCO)のナノドットにおいて、電場による磁化反転を実証した。研究成果は『Science Advances』に掲載された。BFCOは室温で強誘電性と強磁性を併せ持ち、電気分極の反転に伴って磁化も反転する特性を有するため、超低消費電力の次世代不揮発性磁気メモリ材料として期待されている。研究チームは、圧電応答顕微鏡とダイヤモンドNV中心を用いた高感度磁気計測技術を組み合わせ、直径190nmのナノドット内部の分極構造と磁気ドメインを詳細に観察した。その結果、電場印加によって中心収束型から中心発散型へと変化するトポロジカル強誘電ドメイン構造に伴い、面内・面直方向の磁化が同時に反転することを確認した。これはナノドット単位での電場制御磁化反転を初めて実証した成果であり、高密度集積されたメモリセルでの情報書き込み・保持の可能性を示している。本研究は、電流ではなく電場で動作する超低消費電力メモリ実現への重要な前進であり、AI時代に求められる省エネルギー情報デバイス開発への貢献が期待される。

強相関電子材料ナノドットの電場による磁化反転を実証ー分極と磁化のトポロジカル構造を制御し高密度・超低消費次世代メモリへー
図. (a)BFCOの結晶構造と電気分極・磁化の方向。これまでの研究から、BFCOの磁化は、図の灰色の円に示すように、電気分極と直交した6方向のいずれかの方向を向くことが分かっている。
(b)ダイヤモンドNV中心をプローブに用いたBFCOナノドットの観察の模式図。
(c)原子間力顕微鏡により取得したBFCOナノドットの形状像。

<関連情報>

Co置換BiFeO₃ナノドットにおける強誘電トポロジカルドメインスイッチングによる電場誘起強磁性ドメイン変化 Electric field–induced ferromagnetic domain change by ferroelectric topological domain switching in Co-substituted BiFeO3 nanodots

Koomok Lee, Peter Meisenheimer, Paul Stevenson, Yasuhito Nagase, […] , and Masaki Azuma
Science Advances  Published:17 Jun 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.aec2861

Abstract

Electric field–induced magnetization reversal accompanying polarization switching is promising for low–power consumption, nonvolatile, voltage-write, magnetic-read memory applications. Perovskite BiFe0.9Co0.1O3 is a room-temperature multiferroic material in which both ferroelectric and weakly ferromagnetic orders coexist, with spontaneous magnetization coupled to the ferroelectric polarization. Here, we report electric field–induced ferroelectric and ferromagnetic domain changes in BiFe0.9Co0.1O3 nanodots using a combination of piezoresponse microscopy and scanning nitrogen-vacancy center magnetometry assisted by image analysis techniques to directly observe both ferroic orders on the nanometer scale. The complex ferroelectric domains present in a 190-nanometer structure which can be switched from a net-down to a net-up polarization by scanning with a biased cantilever, accompanied by reversal of both in-plane and out-of-plane components of the magnetization. This directly demonstrates electric field–induced magnetization reversal accompanying 180° polarization switching in a complex structure of a scale relevant to the semiconductor industry, creating a potential path for next generation memory devices.

0403電子応用
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