51探花

【本学研究者情报】

〇本学代表者所属?职?氏名：学际科学フロンティア研究所?助教?饭浜　贤志
材料科学高等研究所?教授?水上　成美

【発表のポイント】

• 反强磁性金属における超高速スピン反転の観测に初めて成功
• 反强磁性金属のスピン反転が10ピコ秒以下であることを実証
• 読み出し/书き込み速度が実用化されている不挥発性メモリと比较して10-100倍速いテラヘルツ电子デバイスの开発に大きな一歩

【概要】

東京大学物性研究所?トランススケール量子科学国際連携研究機構の三輪真嗣准教授、同研究所?同機構?東京大学大学院理学系研究科の中辻知教授は、同研究所の冨田崇弘特任助教、Ikhlas Muhammad大学院生、坂本祥哉助教、同研究科の肥後友也特任准教授、同研究所?同機構の大谷義近教授（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）、同大学大学院工学系研究科の野本拓也助教、有田亮太郎教授（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）、東北大学学際科学フロンティア研究所の飯浜賢志助教、同大学材料科学高等研究所の水上成美教授と共同で、物質中の電子がもつ磁石としての性質、すなわちスピンの反転速度が反強磁性金属（注１）では10ピコ秒（1000億分の1秒）と極めて速いことを実証しました。

ナノサイズの磁石を利用するエレクトロニクス技术をスピントロニクス（注２）と呼びます。スピンを电荷とともに利用することで、これまでの技术では実现できなかった新しい机能を持つ电子デバイスの创出が期待されています。代表的なデバイスとしては超高密度ハードディスクドライブ用磁気ヘッドや不挥発性メモリＭＲＡＭがあります。これまでスピントロニクスでは磁石材料として强磁性金属が用いられました。一方で反强磁性金属は强磁性金属と比べてスピンの反転速度が10-100倍速いピコ秒台と予想され、新たな电子デバイス材料として注目されています。しかし、反强磁性金属におけるスピンの动きを时间轴で観测した例はなく超高速性は予测に过ぎませんでした。本研究ではトポロジカル反强磁性金属（注３）と呼ばれる特殊なマンガン合金を用いてスピンの动きを実时间で捉えることに成功し、その反転速度が10ピコ秒以下と超高速であることを実証しました。これは実用化されているＭＲＡＭに比べて10-100倍程度速く読み书きができることに相当し、本材料を用いた电子デバイスを作製すれば、超高速动作が可能になります。

本研究成果は国際科学雑誌「Small Science」において、2021年4月15日付オンライン版に公開されました。

図１　トポロジカル反强磁性金属惭苍₃厂苍のスピン(左)及び结晶构造(右)

【用语解説】

（注１）反强磁性金属、强磁性金属
反强磁性及び强磁性を示す金属材料のことです。物质中の原子ひとつひとつは磁石としての性质、すなわちスピンを持ちます。反强磁性体では个々の原子磁石のスピンが一方向にはそろわず、全体として正味のスピン（磁极）がほぼゼロになります。强磁性体では个々の原子磁石のスピンが一方向にそろい、正味のスピンを有します。一般に磁石と呼ばれるものの多くが强磁性体です。

（注２）スピントロニクス
ナノ磁石を利用するエレクトロニクス技术。电子が持つ磁石としての性质である「スピン」を电荷とともに利用することで、これまでの技术では実现できなかった新しい机能を持つ电子デバイスの创出を目指しています。代表的な电子デバイスとしては超高密度ハードディスクドライブ用磁気ヘッドや不挥発性磁気メモリＭＲＡＭがあります。

（注３）トポロジカル反强磁性金属、拡张八极子偏极
本研究で用いた反强磁性金属惭苍₃厂苍では叁角形の格子上に惭苍原子が并び、原子磁石のそれぞれの磁极は120°ずつ倾きます。个々の原子磁石のスピンを足し合わせた正味のスピンは通常の反强磁性体同様にほぼゼロですが、このスピン构造を巨视的に捉えると拡张八极子偏极を定义できます。
Mn₃厂苍はこの拡张八极子偏极の方向に対応した非自明な电子状态を运动量空间に有するトポロジカル反强磁性金属として知られています。このことによりトポロジカル反强磁性金属惭苍₃厂苍は磁极がない反强磁性体でありながら、拡张八极子偏极が强磁性体における磁极同様の性质を持ち、电気や磁気等の外场に対して强磁性体同様の応答を示します。

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