ＪＳＴと京都大学、金属磁石の磁力を室温で電気的にスイッチすることに成功

室温で電圧による磁力のスイッチに成功
−スピンデバイスの電気的制御手法に新たな道−



　ＪＳＴ　課題達成型基礎研究の一環として、京都大学　化学研究所の千葉　大地　助教は、金属磁石の磁力を室温で電気的にスイッチすることに世界で初めて成功しました。

　磁性体のキャリア濃度を電気的に制御してその性質を制御する研究は、これまで主に磁性半導体（注１）などを用いて行われてきました。ごく最近、磁性金属においても同手法を用いて磁化方向の電圧制御などが報告されるようになってきましたが、磁石の性質そのものを電気的にオンオフさせることは難しいと考えられてきました。

　今回、代表的な強磁性遷移金属であるコバルトの超薄膜に絶縁膜を介して電圧を加えて、コバルト表面の電子濃度を変化させることで磁石の性質を持つ強磁性状態（注２）と磁石の性質を持たない常磁性状態（注３）を室温でスイッチできることを明らかにしました。

　これにより、外部から磁界を加えたり温度を変えたりすることなく磁石の性質を電気的にしかもほとんど電流を流すことなく制御できるため、将来的には消費電力の極めて小さな磁気記録デバイスやコイルを用いない電圧駆動式の磁界発生器などへの応用が期待できます。

　本研究成果は、２０１１年１０月２日（英国時間）の英国科学雑誌「Ｎａｔｕｒｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」に掲載されます。


　本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

　戦略的創造研究推進事業　個人型研究（さきがけ）

　研究領域：「ナノシステムと機能創発」
　　　　　　　（研究総括：長田　義仁　独立行政法人理化学研究所　グループディレクター）
　研究課題名：「電界による磁化スイッチングの実現とナノスケールの磁気メモリの書込み手法への応用」
　研究期間：平成２２年１０月〜平成２６年３月


＜研究の背景と経緯＞
　磁石の性質は、一般的に温度や機械的な歪みによって変化することが知られています。また、外部から加えた磁界や電流により磁石の磁化の方向を変えたり、スイッチしたりすることができるため、ハードディスクや磁気メモリなどの記録メディアとして広く利用・開発されています。このような中、これらデバイス動作の更なる省エネ化・超高速化の観点から、磁界や電流を用いずに、電圧により磁化の方向をスイッチする手法が大きな注目を集めています。特に、絶縁膜を介して磁性体に電圧を加える手法は、半導体の電界効果型素子などに広く用いられているゲーティング（注４）と同様の手法であり、高速動作が期待できて、また半導体デバイスと融合した使い方ができる次世代の記録手法として、世界中で研究が盛んに行われるようになってきています。実際、上記の手法を用いることで、強磁性半導体や、ごく最近では強磁性金属においても磁化の方向がゲーティングにより制御できることが報告されるようになってきています。しかし、磁性体において最も基本的な物理現象の一つである、強磁性相転移（注５）を電圧で誘起することは、磁性半導体において低温で実現されているにすぎませんでした。


＜成果の内容＞
　今回、代表的な強磁性遷移金属であるコバルトの超薄膜に絶縁膜を介してゲート電圧を加えて、コバルト（以下Ｃｏ）表面の電子濃度を変化させることで強磁性状態と常磁性状態の相転移を室温でスイッチできることを明らかにしました。強磁性金属の磁性を電気的にスイッチすることは世界で初めての成果です。

　今回作製した素子の模式図と観測された現象の概念図を図１ａとｂに示します。Ｃｏの超薄膜（図中の強磁性金属）、絶縁膜、ゲート電極からなる素子の上下に±１０Ｖのゲート電圧を加えて、Ｃｏの磁化状態を観測しました。図１ａ中では省略されていますが、Ｃｏ超薄膜はＰｔとＴａの下地層を介してＧａＡｓ基板上に成膜されました。素子を作製する前に、磁化測定を行ったところ、膜は垂直方向に磁化しやすいことが確認されました。ゲート電圧を加えた時の磁化の外部磁界依存性を図２ａ、ｂに示します。図２ａは３１０Ｋにおける±１０Ｖのゲート電圧を加えた時の磁化曲線（外部磁界は垂直方向に加える）です。両者とも角型の履歴特性（ヒステリシスループ）を示していますが、保磁力（反転磁界）がゲート電圧によって大きく変化していることが分かります。図２ｂは３２１Ｋにおける同曲線です。＋１０Ｖでは角型のヒステリシスですが、−１０Ｖでは直線的な振る舞いに変化していることが分かります。詳しい調査により、この変化は強磁性相転移によって引き起こされていることが明らかになりました。図３は二つの試料（Ｐｔ膜厚が異なる）の強磁性転移温度のゲート電圧依存性です。各試料において、データ点より下の温度では磁石の状態ですが、データ点より上の温度では磁石の性質を失っていることを示しています。その境界を決める温度（データ点）が強磁性転移温度ですが、ゲート電界により明確に制御できていることが分かります。この結果は、室温付近で磁石の性質（つまりは磁力）を電気的にスイッチできることを示しています。


＜今後の展開＞
　この研究成果を用いることで、外部から磁界や電流を加えたり温度を変えたりすることなく磁石の性質を室温で電気的に制御できるようになりました。将来的には、消費電力の極めて小さな磁気記録メディアへの応用や、コイルを用いない電圧駆動式の磁界発生器などへの応用が期待されます。また、材料科学の観点からは、磁化の大きさや強磁性転移温度と原子一個当たりの電子数の関係に鋭く迫ることができるようになると考えています。


＜謝辞＞
　本研究で使用したＣｏ薄膜は日本電気株式会社より提供していただきました。


＜参考図／用語解説＞

　※添付の関連資料を参照


＜論文名＞
　“Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｈａｓｅ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｏｂａｌｔ　ａｔ　ｒｏｏｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ”
　（室温におけるコバルトの強磁性相転移の電気的制御）
　Ｄ．Ｃｈｉｂａ，Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ，Ｋ．Ｓｈｉｍａｍｕｒａ，Ｎ．Ｉｓｈｉｗａｔａ，Ｋ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，ａｎｄ　Ｔ．Ｏｎｏ