交換相互作用の初歩の初歩：福田昭のストレージ通信（26） 次世代メモリ、STT-MRAMの基礎（4）（1/2 ページ）

磁気メモリにおけるデータ書き換えの基本原理を理解するためにも、「強磁性体の交換相互作用」を初歩の初歩から説明する。

[福田昭，EE Times Japan]

磁気モーメントを外部磁界で操作する

　国際会議「IEDM」のショートコースでCNRS（フランス国立科学研究センター）のThibaut Devolder氏が、「Basics of STT-MRAM（STT-MRAMの基礎）」と題して講演した内容を紹介するシリーズの第4回である。

　前回は、磁気記憶の基本原理である磁性体（強磁性体）の交換相互作用（exchange interaction）と磁気異方性を説明するとともに、物質の磁性による違いを解説した。今回は、強磁性体の交換相互作用を初歩の初歩から説明する。

　強い磁気を帯びている強磁性体のかたまりが、中空に存在している状態を考える。強磁性体内部の原子磁気モーメントはすべて同じ方向にそろっており、結果として自発磁化が生じている。この強磁性体の近くに、コイルを置く。コイルには電流は流れていない。これが初期状態である。

交換相互作用（exchange interaction）を初歩から説明する。図中に示したのは左からコイル、強磁性体（内部の矢印は原子磁気モーメントの方向と大きさ）、電子スピンの内部エネルギー。原子磁気モーメントの向きは右上方向にそろっている 出典：CNRS

　続いてコイルに電流を流し、電流誘起の外部磁界を発生させることを考える。

外部磁界によって強磁性体の磁化を反転させる

　外部磁界をH、強磁性体の磁化（磁気モーメント）をMとする。強磁性体と外部磁界の相互作用の大きさは「ゼーマンエネルギー（Zeeman energy）」Eで定義される。EはベクトルHとベクトルMの積（ベクトル積）である。

　初期状態から外部磁界Hを発生させたとき、磁化Mと外部磁界Hは反対方向（反平行）になったとしよう。ゼーマンエネルギーに相当するエネルギー量だけ、元の磁化のエネルギー状態が持ち上がる。すると低いエネルギー状態である、外部磁界Hと同じ方向（平行）に強磁性体の磁気モーメントは磁気異方性エネルギーを超えて反転する。

コイルに電流を流して強磁性体の磁化Mと反対方向の外部磁界Hを発生させる。電子スピンの内部エネルギーが磁界と磁気の相互作用によって持ち上げられ、磁気異方性エネルギーの山よりも大きくなる。電子スピンは右の低いエネルギー状態へと移動する。すなわち、強磁性体内部の原子磁気モーメントは外部磁界と同じ方向（左下方向）に一斉に反転する（磁化反転） 出典：CNRS