反強磁性体で世界最大の自発磁気効果を持つ低消費電力磁気メモリ材料：反強磁性体におけるワイル粒子の発見

2021-01-26

2021-01-25 東京大学,金沢大学,理化学研究所,東北大学,科学技術振興機構

ポイント

世界最大の横磁気効果を持つ反強磁性体金属を発見しました。
ワイル粒子と呼ばれる固体中の相対論的粒子が巨大な横磁気効果の起源であることを示しました。
漏れ磁場が少なく数百ガウスで磁化反転可能な反強磁性材料のため、高集積可能な新しい不揮発性メモリの材料として期待されます。

スマートフォンやタブレットなどの内蔵ストレージに採用されているメインメモリには、電源をオフにするとデータが失われる「揮発性メモリ」が使われており、データ保持に過度な電力消費をしてしまいます。消費電力削減のために、強磁性体の磁化方向を利用して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ますが、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ます。

今回、東京大学大学院理学系研究科の中辻知　教授、見波将　特任研究員と東京大学物性研究所の冨田崇弘　特任助教、ＴａｉｓｈｉＣｈｅｎ　特任研究員、ＭｉｎｇｘｕａｎＦｕ　特任研究員らの研究グループは、東北大学大学院理学研究科の是常隆　准教授、理化学研究所の北谷基治　特別研究員、金沢大学ナノマテリアル研究所の石井史之　准教授、東京大学大学院工学系研究科の有田亮太郎　教授らの研究グループと協力して、マンガン化合物Ｍｎ_３Ｇｅ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ました。

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でしたが、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ました。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りましたが、反強磁性体の場合はスピンが反対向きにそろ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ありません。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です。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ます。

本研究成果は２０２１年１月２５日（英国時間）、国際科学誌「ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」オンライン版に掲載される予定です。

本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ）戦略的創造研究推進事業チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）「トポロジカル材料科学に基づく革新的機能を有する材料・デバイスの創出」研究領域（研究総括：上田正仁）における研究課題「電子構造のトポロジーを利用した機能性磁性材料の開発とデバイス創成」（課題番号：ＪＰＭＪＣＲ１８Ｔ３、研究代表者：中辻知）、ＣＲＥＳＴ「微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出」研究領域（研究総括：谷口研二、研究副総括：秋永広幸）における研究課題「トポロジカルな電子構造を利用した革新的エネルギーハーヴェスティングの基盤技術創製」（課題番号：ＪＰＭＪＣＲ１５Ｑ５、研究代表者：中辻知）、並びに文部科学省科学研究費補助金新学術領域「Ｊ－Ｐｈｙｓｉｃｓ：多極子伝導系の物理」（課題番号：１５Ｈ０５８８２、研究代表：播磨尚朝）における研究計画班「Ａ０１：局在多極子と伝導電子の相関効果」（課題番号：１５Ｈ０５８８３、研究代表者：中辻知）、科研費「強相関物質設計と機能開拓－非平衡系・非周期系への挑戦－」（課題番号：１６Ｈ０６３４５）、新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）「ＮＥＤＯ先導研究プログラム／エネルギー・環境新技術先導研究プログラム／ワイル磁性体を用いた熱発電デバイスの研究開発」の支援を受けて行われました。

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