京大ら、白金の電界効果の微視的メカニズムを解明――超低消費電力磁気メモリ開発にも応用可能か

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(左)X線磁気分光測定の概略図(右)試料の断面図

京都大学、東京大学、三重大学、電力中央研究所の研究グループは2018年4月3日、スピントロニクス材料として有用な白金(Pt)に電界を加えてその磁性を制御する実験を行い、Ptにおける電界効果のミクロなメカニズムを解明したと発表した。解明された電界効果の微視的メカニズムは他の磁性金属にも適用可能であり、消費電力の低い磁気メモリ素子などの開発に応用できると期待されている。

同グループはスピントロニクスの材料として用いられるコバルト(Co)とPtの積層膜を研究対象とした。Ptは単体では磁石の性質をもたない。しかしCoなどの磁性体と接合させると、接合面付近のPt原子は強磁性状態になる。

放射光には材料に電界を加えた状態においても、目的の元素の磁性や電子状態を高精度に観測できるという特色がある。同グループは兵庫県に位置する大型放射光施設SPringー8でBL39XUというビームラインを用いた強電界中のPt電極のX線磁気分光を測定。その結果、強電界によって誘起されたPtの電子構造と磁性の変化をX線吸収分光法(XAS)やX線磁気円二色性(XMCD)という手法を用いて捉えることに成功した。

実験で得られたスペクトルの変化を分析することで、これらの変化がフェルミ準位の変位や、軌道混成の変化というPt内部の電子状態の変化を起こすミクロなメカニズムから生じることが判明。実験結果は量子力学を用いた計算結果ともよく一致し、推定されるメカニズムが妥当であることが立証された。

電界を加えた条件下で得られたPtのXMCD(上)およびXASスペクトル(下)

今回明らかになったメカニズムは他の磁性金属にも適用可能であるため、非常に消費電力の低い磁気メモリ素子や、スピンの流れを利用したスピントロニクス素子の開発に応用できるのではないかと期待されている。

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