反強磁性体で「トポロジカルホール効果」を実証：新たな磁気記憶素子の開発へ

東京大学は、磁化を持たない反強磁性体において、「トポロジカルホール効果」を実証することに成功した。「新しい磁気情報媒体として活用できる可能性がある」とみている。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

CoTa₃S₆とCoNb₃S₆の反強磁性体を用いて検証

　東京大学は2023年4月、磁化を持たない反強磁性体において、「トポロジカルホール効果」を実証することに成功したと発表した。磁気情報の読み出し手法として反強磁性体を活用できるため、新たな磁気記憶素子の開発につながる可能性が高いという。

　磁気抵抗メモリ（MRAM）やハードディスクなどの磁気記憶素子では、強磁性体を用いて磁気情報を保持している。強磁性体に電流を流すと「ホール効果」が生じ、その符号を測定することで情報を読み出すことができる。これに対し、磁化が「ゼロ」の反強磁性体は、ホール効果を利用した情報の読み出しは難しいといわれてきた。

　ところが、近年の理論研究によると、非共面のスピン配列が実現している場合、隣接する3つのスピンが生み出す立体角（スピンカイラリティ）に比例した仮想磁場を電子が感じて、トポロジカルホール効果と呼ばれる巨大なホール効果が、磁場や磁化とは関係なく生じることが明らかになった。そこで今回、反強磁性体におけるトポロジカルホール効果について、実験による検証を行った。

磁化を持つ強磁性体における通常のホール効果と、磁化を持たない反強磁性体におけるトポロジカルホール効果を示すイメージ図 出所：東京大学

　実験では、CoTa₃S₆とCoNb₃S₆の反強磁性体を用いトポロジカルホール効果を検証した。これらの物質は、二次元ファンデルワールス物質であるTaS₂とNbS₂の層間に磁性イオンであるCoを挿入した構造で、反強磁性体でありながら巨大なホール効果を生じることが分かっているという。

左図はCoTa₃S₆の結晶構造と単結晶写真、右図は磁化とホール抵抗率の磁場依存性 出所：東京大学

　そこで研究グループは、研究用原子炉「JRR-3」にある偏極中性子三軸分光「5G PONTA」や、大強度陽子加速器施設「J-PARC」の物質・生命科学研究施設にある中性子回折装置 「BL15 TAIKAN／BL18 SENJU」を用い、中性子散乱実験による磁気構造解析を行った。この結果、四面体状の非共面スピン配列となっていることを確認した。

CoTa₃S₆とCoNb₃S₆において実現された四面体状の非共面なスピン配列 出所：東京大学

　反強磁性体は従来の強磁性体に比べて、「磁気ビット間の干渉の原因になる漏れ磁場が存在しないため素子の微細化・集積化に有利」「外場に対する応答が2〜3桁高速」「磁気的な外乱に対する耐性が高い」といった特長がある。研究グループは「新しい磁気情報媒体として活用できる可能性がある」とみている。

　今回の成果は、東京大学大学院工学系研究科の高木寛貴大学院生（研究当時）や高木里奈助教（研究当時）、関真一郎准教授らによる研究グループと、同物性研究所の中島多朗准教授や同先端科学技術研究センターの有田亮太郎教授らとの共同研究によるものである。