東大など、反強磁性体においてスピントルクダイオード効果を初めて発見

東京大学(東大)、産業技術総合研究所(産総研)、科学技術振興機構(JST)の3者は12月3日、反強磁性体でありながら強磁性のような応答を示す特殊な構造の「キラル反強磁性体」において、これまで使われてきた強磁性体よりも高い周波数で安定動作可能な「スピントルクダイオード効果」を初めて発見したと共同で発表した。

• (左)今回の研究内容の模式図。Mn₃Snとタングステンとの二層膜に直流電流とマイクロ波電流を印加すると、マイクロ波の印加に応じた横方向の直流電圧が現れる。(右)得られた整流電圧信号の実際のデータ。マイクロ波を印加すると、マイクロ波のパワーに比例した特徴的なピーク構造を持つ電圧信号が現れる(出所:JSTプレスリリースPDF)

同成果は、東大 物性研究所(物性研)の坂本祥哉助教、同・甲崎秀俊大学院生(東大大学院 新領域創成科学研究科 物質系専攻)、同・志賀雅亘特任研究員(現・九州大学大学院 工学府エネルギー量子工学部門 助教)、同・浜根大輔技術専門職員、同・三輪真嗣准教授(東大 トランススケール量子科学国際連携研究機構 准教授兼任)、東大 先端科学技術研究センターの野本拓也講師(現・東京都立大学 理学部 物理学科 准教授)、同・有田亮太郎教授(東大大学院 理学系研究科 教授/理化学研究所 創発物性科学研究センター チームリーダー兼任)、東大大学院 理学系研究科 物理学専攻の肥後友也特任准教授、同・中辻知教授(物性研 特任准教授/東大 トランススケール量子科学国際連携研究機構 機構長兼任)、産総研 新原理コンピューティング研究センターの日比野有岐研究員、同・山本竜也主任研究員、同・田丸慎吾主任研究員、同・野﨑隆行研究チーム長、同・薬師寺啓総括研究主幹、高輝度光科学研究センターの小谷佳範主幹研究員、同・中村哲也主席研究員(東北大学 国際放射光イノベーション・スマート 教授兼任)らの共同研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

これまでのスピントロニクスでは、磁化の大きさに比例して電気や光などに大きな応答を示す強磁性体が活用されてきた。しかし、2つの強磁性体で絶縁体を挟んだ磁気トンネル接合素子においては、マイクロ波電流を印加すると直流電圧が発生するスピントルクダイオード効果の信号の強さが、周波数が高くなるに連れて反比例して大幅に減少するという課題があった。そこで研究チームは、高周波数でのダイオード信号の減衰を解決するため、反強磁性体に着目したという。

反強磁性体では、交換相互作用という高いエネルギーが顕在化するため、強磁性体に比べ格段に大きな共鳴周波数を持ち、高い周波数帯においても安定したダイオード動作が期待されている。しかしその一方で、通常の反強磁性体は磁化がないため、強磁性体のような大きな応答が得られない。そこで研究チームは今回、マンガンとスズの合金でキラル反強磁性体「Mn₃Sn」を用いたとする。