東北大学は5月13日、磁気の流れにより発現する新しい磁気抵抗効果を発見したと発表した。

同成果は、同大 大学院 金属材料研究所 中山裕康後期博士課程3年(日本学術振興会特別研究員)、原子分子材料科学高等研究機構 齊藤英治教授(東北大学 金属材料研究所 教授、日本原子力研究開発機構 先端基礎研究センター 客員グループリーダー兼任)、東北大学 金属材料研究所 ゲリット・バウアー教授(東北大学 原子分子材料科学高等研究機構 教授兼任)らによるもの。詳細は米国科学誌「Physical Review Letters」のオンライン版に掲載された。

物質に磁場を加えると電気抵抗が変化する現象「磁気抵抗効果」は、固体中の電子の有する電荷自由度とスピン(磁気)自由度が強く結合した現象であり、電子のスピン自由度を積極的に利用する新しい電子技術「スピントロニクス」分野において盛んに研究されてきた。これまで、異方性磁気抵抗効果、巨大磁気抵抗効果、トンネル磁気抵抗効果などの磁気抵抗効果が知られており、磁気センサやメモリなどに幅広く応用されるようになっている。応用上、重要な磁気抵抗効果は磁石(磁性体)の極性を利用するため、磁性体に電流を流さなければならないという制約があり、特に集積回路などといった微小な構造においては、磁性体の発熱、化学反応などによる磁気特性の劣化が問題となっていた。

今回の研究では、磁気の流れである「スピン流」により、磁性体に電流を流すことなく発現する新しい磁気抵抗効果(スピンホール磁気抵抗効果)を発見し、実験・理論の両面から実証が行われた。磁気抵抗効果を用いることにより、磁性体に対して電流を流さずに、磁性体の磁気的な情報を電気的に読み取ることが可能となることから、これまでに研究が進められてきた新機能デバイス設計の自由度を向上させるとともに、磁気的性質の劣化が少ない新機能電子デバイス研究開発への寄与が期待されるという。

具体的に今回の研究では、図1および図2に示された実験により、スピン流による磁気抵抗効果の実証が行われた。図1(a)、(b)に示した実験系では、絶縁体である磁性ガーネット(Y3Fe5O12:YIG)単結晶薄膜の表面に白金(Pt)薄膜を成膜し、磁場を印加しながら白金薄膜における電気抵抗の精密測定を実施し、磁性ガーネット/白金複合構造における磁気抵抗効果の磁場強度依存性や、磁場角度依存性、物質依存性等を系統的に調査することで、検出された電気抵抗変化が磁性ガーネット/白金界面におけるスピン流交換効果に由来することが明らかとなった。ここで重要なポイントとなるのが、このセットアップにおいて絶縁体である磁性ガーネット薄膜には電流が流れていないにもかかわらず、隣接した白金薄膜に磁気抵抗効果が発現しているということだと研究グループでは説明する。

こうして発見された磁気抵抗効果は、磁性体に電流を流さなくとも発現するとのことで、従来の磁気抵抗効果とは本質的に異なるものであるとともに、従来の磁性導電体における異方性磁気抵抗効果とはまったく異なる磁場角度依存性を示すことが明らかになった。この実験結果は、これまでは不可能であった磁性絶縁体を用いた磁気抵抗効果を実現可能にするものだとする。

図1 (a)、(b)スピンホール磁気抵抗効果の測定実験に用いた試料の模式図。磁性絶縁体界面におけるスピン流交換によって磁気抵抗効果が実現する。(c)実験に用いた試料の写真

図2 スピン流を介した磁気抵抗効果の実験、図1(a)における電気抵抗測定結果

今回の実験で用いたような金属(Ptなど)に電流を流すと、「スピンホール効果」と呼ばれる固体中の量子相対論効果によって図3(a)のような磁気の流れ(スピン流)が生みだされる。スピン流が金属の表面まで到達すると、反射し、金属内部に戻ろうとする(図3(b))が、この反射スピン流はスピンホール効果の逆効果である「逆スピンホール効果」と呼ばれる現象により電流に変換される。今回の実験では、スピンホール効果および逆スピンホール効果による電流-スピン流相互変換と、磁性絶縁体界面におけるスピン流交換(スピン移行トルク)によって生じる磁気抵抗効果を系統的に調べ、実験・理論の両面からこの「スピンホール磁気抵抗効果」の存在を実証したものとなる。

スピンホール磁気抵抗効果は、磁性体に直接電流を流さなくとも発現するという性質を有しており、磁性体に電流を流す必要のあった従来の磁気抵抗効果とは本質的に異なるものである。また、この磁気抵抗効果は界面におけるスピン流の極性方向と磁性絶縁体の磁化方向の相対的な角度に依存するため、従来の磁気抵抗効果とはまったく異なる磁場角度依存性を示すことが明らかになった。

図3 (a)金属中に電流を流すと、スピンホール効果によって電流と垂直な方向にスピン流が発生する。(b)金属の端に到達したスピン流は反射する。(c)反射スピン流は逆スピンホール効果によって電流を生む

磁気抵抗効果を発現させるためには、磁性体に電流を流す必要があったため、これまで磁性絶縁体を用いた磁気抵抗効果は知られていなかった。そのため、今回の磁性絶縁体/非磁性金属複合構造におけるスピン流を介した新しい磁気抵抗効果の発見は、スピントロニクスデバイス設計自由度を向上するものであると研究グループでは説明するほか、スピン流の輸送物性を簡便な電気測定により調べることが可能なことから、今後のスピン流電子物性の研究において重要な役割を果すとの見解を示しており、今後、今回の物理原理を用いた低損失電子デバイス技術を発展させていくことで、新機能電子デバイス研究開発の加速が期待されるという。