フレキシブル基板上の磁性薄膜で室温かつ低磁場での創発インダクタンスの観測に成功慶應、ブラウン大学、中国科学院大学

慶應義塾大学大学院の海住英生教授らの研究グループは2024年1月11日、ブラウン大学、慶應義塾大学グローバルリサーチインスティテュート、中国科学院大学と共同で、フレキシブル基板上の磁性薄膜において、室温、低磁場での創発インダクタンスの観測とそのメカニズムを解明したことを発表した。この成果は、フレキシブル磁気エレクトロニクスに新たな道が切り開くことが期待される。

スピントロニクスは、次世代のエレクトロニクスとして期待されており、中でも最近、ナノスケールのらせん磁気構造で生じるスピン起電力を利用した「創発インダクタ」が大きな注目を集めている。しかし、創発インダクタは、磁場により数マイクロヘンリーといった大きなインダクタンス変化を示すが、1万ガウス程度の大きな磁場を必要としていた。

研究グループは、フレキシブル磁気デバイスへの応用を見据え、フレキシブル基板上の磁性薄膜で、室温かつ低磁場での創発インダクタンスの観測を目指した。

これまで創発インダクタには、非共線的な磁気構造を持つらせん磁性材料を用いていたが、よく知られている典型的な磁性薄膜でも、効率的に非共線的な磁気構造の一種である磁壁構造を作り出せれば、創発インダクタを実現できると考えられる。

研究では、階段状磁場を磁性薄膜に加え、効率的に磁壁を発生させ、電流でこの磁壁を駆動することで室温、低磁場での創発インダクタンスの観測が期待できると考えた。

そこで、交流電流下で、フレキシブルなポリカーボネート有機膜基板上のパーマロイ（ニッケルと鉄の合金）薄膜を磁場中にセットし、階段状磁場を加えながらインダクタンスの振る舞いを調べたところ、室温、低磁場で創発インダクタンスを観測した。この現象は、創発インダクタンスが磁場で変化することから、「創発磁気インダクタンス（EML）効果」と名付けた。

EML効果では、小さな磁場（～数ガウス）で大きなインダクタンス変化（～1マイクロヘンリー）が生じることに加え、インダクタンスの符号がゼロ磁場付近で正と負に変化した。また、EML効果は、磁性薄膜の断面積を小さくすることで向上した。さらに、階段状磁場のステップ幅を大きくすることで、より効率的に磁壁を発生させEML効果が向上する。

EML効果の向上（左：薄膜の膜幅を変化、右：磁場のステップ幅を変化）

理論的な検討では、ランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式と統計論を組み合わせた新たな計算手法により、そのメカニズムを解明した。

実験結果と計算結果の比較（左：EML効果の周波数特性、橙丸が実験結果、橙線が計算結果、右：EML効果、赤丸および青丸が実験結果、赤線および青線が計算結果）

この研究成果により、フレキシブル磁気エレクトロニクスに新たな道が切り開かれ、超高感度磁気センサーなど、基礎から応用まで幅広い分野での実用化が期待できる。

フレキシブル基板上の磁性薄膜で室温かつ低磁場での創発インダクタンスの観測に成功　慶應、ブラウン大学、中国科学院大学