室温で情報を読み書きできる「交代磁性体」を発見：↑↓と↓↑のスピン状態を区別

東京大学は、室温で情報の読み書きが可能な、「交代磁性体」と呼ばれる新たな磁性体を発見した。超高密度かつ情報の読み書きが極めて速い次世代の情報媒体としての活用が期待される。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

超高密度で超高速な次世代の情報媒体として期待

　東京大学大学院工学系研究科の関真一郎教授らによる研究グループは2024年12月13日、室温で情報の読み書きが可能な、「交代磁性体」と呼ばれる新たな磁性体を発見したと発表した。超高密度で情報の読み書きが極めて速い次世代の情報媒体としての活用が期待される。

　磁気記憶素子は、強磁性体における「↑（上向き）」と「↓（下向き）」のスピン状態を利用して情報を記憶するのが一般的である。これに対し、「反平行なスピン配列」と「特殊な対称性の原子配列」を併せ持つ交代磁性体は、「↑↓」と「↓↑」のスピン状態で情報を記憶する。しかも、情報の読み書きは強磁性体と同等の手法で行うことができるという。

　強磁性体では、磁化に比例して「ホール効果」が生じる。この現象を利用して「↑」と「↓」のスピン状態を区別して情報を読み出す。磁化がゼロの反強磁性体だと、通常はホール効果が生じないという。これに対し交代磁性体は、「↑↓」と「↓↑」のスピン状態が、逆符号の仮想磁場を誘起する。これによって、磁化がゼロでもホール効果が生じる。この状態を電気的に区別して読み出すことができる。

　しかも交代磁性体は従来の強磁性体と比べ、「ビット間干渉の原因となる漏れ磁場が存在しないため素子の集積化に有利」「応答速度が100倍以上高速」「磁気的な外乱に対する耐性が高い」といった特長がある。

交代磁性体の概念図［クリックで拡大］ 出所：東京大学

強磁性体と交代磁性体におけるホール効果［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　そこで研究グループは、交代磁性体と呼ばれる新たな物質を探索した。この結果、磁性半導体である「FeS（硫化鉄）」が、室温で動作可能な交代磁性体であることを突き止め、電場や磁場など外場のない状態でも、情報が不揮発に保持されることを確認。さらに、「↑↓」と「↓↑」のスピン状態を電気的に読み出しできることも実証した。しかも、FeSは磁気秩序温度（スピンが整列する温度）が約300℃と極めて高い。

左はFeSにおけるスピン配列と原子配列。右は室温における磁化とホール抵抗率の外部磁場依存性［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　今回の研究成果は関教授の他、東京大学大学院工学系研究科の高木里奈助教（現在は同大学物性研究所准教授）、同大学工学部の開田亮佑学部生（現在は同大学大学院理学系研究科大学院生）、同大学先端科学技術研究センターの有田亮太郎教授（現在は同大学大学院理学系研究科教授、理化学研究所チームリーダー）、野本拓也講師（現在は東京都立大学准教授）らによるものである。