研究成果のポイント

現在使われている電子デバイスでは、「2進法」に基づいた情報処理を行っている。
らせん状の結晶構造を持つ磁石でひねりの数を自在に変化させることで、１つの磁石に多数の情報を埋め込むことに成功した。
巨大な情報処理能力を持つ磁気メモリーや磁気センサーなどへの応用が期待される。

研究概要

JST戦略的創造研究推進事業において、大阪府立大学工学研究科の戸川欣彦准教授らは、キラル（対掌性）な磁石単結晶［解説1］において、数十から数百もの多段階のらせんのひねり構造が現れ、それらを電気的に検出できることを発見しました。

従来の磁気メモリーや磁気センサーなどの磁石を用いた電子デバイス［解説2］では、磁石の向きを利用して“0”と“1”の「2進法」に基づき電気的に情報処理を行っています。本研究では、キラルな結晶構造をもつ新しい磁石で、磁場の強さを変更すると、らせん構造のひねりの数を段階的に1つずつ変えることができ、一つの磁石に多数の磁気情報を埋め込むことに成功しました。さらに、らせん構造がほぐれる様子を、電気信号の変化として検出することに成功し、これまでにない多進数情報を制御できる磁石を実現しました。このような「多進法」による情報処理が可能となれば、磁気メモリーや磁気センサーなどの電子デバイスの情報処理量やメモリー密度が大幅に向上する可能性があります。

「らせん結晶構造を持つ磁石のひねりの数を制御・検出に成功―電子デバイスのメモリー密度の飛躍的な向上が期待―」詳細（741KB）

本研究成果は、2015年12月17日（米国東部時間）にアメリカ物理学会誌「Physical Review B （Rapid Communications）」のオンライン速報版で公開されました。

論文タイトル：Magnetic Soliton Confinement and Discretization Effects Arising from Macroscopic Coherence in a Chiral Spin Soliton Lattice（キラルスピン磁気ソリトン格子の巨視的コヒーレンスにより発現する磁気ソリトン閉じ込めおよび離散化効果）

掲載論文（Physical Review B Webサイト）

用語解説

解説1　キラルな磁石単結晶

“キラリティ（対掌性）”を持つ磁性単結晶のこと。キラル結晶軸が単数の六方晶CrNb₃S₆やCsCuCl₃、三方晶YbNi₃Al₉、また、複数本のキラル結晶軸をもつ立方晶MiSiやFe_1-xCo_xSiなどが知られている。

解説2　磁石を用いた電子デバイス

磁気テープやハードディスクドライブ（HDD）などの磁気メモリー、磁気ヘッドなどの磁気センサー、フィルターなどの磁気電子デバイスなどが知られている。最近では、電子が有する2つの特性（電荷とスピン）の両方を活用するスピンエレクトロニクス研究が注目を集めている。不揮発性などの優れた特性を持つ磁気電子デバイスへの期待は大きく、論理回路用の高速大容量メモリーや論理回路の研究開発が進められている。

お問い合わせ

公立大学法人大阪府立大学　大学院工学研究科　電子物理工学分野

New Twist in Chiral Magnets

Catherine Pappas

Delft University of Technology, Faculty of Applied Sciences, Mekelweg 15, 2629 JB Delft, The Netherlands

磁気モーメントのねじれを伴う新しい状態が初めて観測され、情報技術における新しいアプリケーションが開かれる可能性があります。

Figure caption

expand figure

Y. Togawa et al. [1]

左巻きのらせん状に回転します (上)。外部磁場が適用されると (下)、キラル磁気ソリトン格子が現れます。

キラル磁石には魅力的な特性があり、将来のデータストレージやその他の情報技術アプリケーションの重要な要素になる可能性があります。これらの磁石の内部磁場は通常、らせん状または渦巻き状ですが、キラル磁石 Cr1/3NbS2 を使用した新しい実験

、キラル磁気ソリトン格子と呼ばれる、これまで見たことのないタイプの磁気ねじれを発見しました。日本の大阪府立大学の戸川義彦と彼の同僚は、Physical Review Letters に報告しているが、外部磁場でこの格子の形状を制御できることを示した [1]。この機能は、将来のスピントロニクスデバイスに新しい種類の制御スイッチを提供する可能性があります。

キラリティーは、素粒子物理学から分子化学に至るまで、自然界によく見られます。これは、左手が右手の反対側の鏡であるという点で最もよく知られている反射非対称性によって特徴付けられます。固体中の原子の構造にこの種の性質が現れると、不対電子の磁気モーメントが相対論的スピン軌道相互作用 Dzyaloshinskii-Moriya (DM) を通じてどのように組織化されるかに影響します。これらの反対称相互作用は、次の形をしています。、ここで D は DM 結合の強さであり、S→i と S→j は異なる電子のスピンです。対称構造では、これらの相互作用は相殺されますが、キラル格子では相殺されません。 DM相互作用は、磁気モーメントのねじれのような配置を支持しますが、すべての磁気モーメントを同じ方向に揃えようとする強磁性交換と競合する必要があります。その結果、格子定数よりもはるかに長い数十ナノメートルの巻き周期を持つらせん状の磁気配列が得られます。したがって、キラル特性は格子の対称性に依存しますが、構造の詳細とは無関係に、より大きなナノスケール、さらにはメゾスコピックレベルで理解および操作することができます。

キラル磁石、特に原型のキラル磁石であるマンガンシリサイド (MnSi) は、そのエキサイティングな特性により、ここ数年にわたって関心を集めてきました。将来的には、それらはいつかキラル液晶と同様の機能性に達する可能性があります。この推測は、キラル磁石と液晶の間のいくつかの強い類似点に基づいています。両方の材料はらせん構造を持ち、ソリトンと呼ばれる非常に安定した励起を含んでいます。ソリトンは、粒子のように振る舞う非線形励起であり、海洋全体を伝わる津波に代表されるように、伝播するときにその形状とエネルギーを維持します。キラル磁石では、ソリトンはスキルミオンと呼ばれる 1 次元のキンクまたは 2 次元の渦の形をとります。これらのソリトン励起は、温度と磁場によって安定化されます [2]。それらは非常に堅牢で、電流によって操作され [3] 、または凝縮して、MnSi やその他の関連システムに見られるスキルミオンの格子などの規則的な格子を形成することさえできます [4]。

MnSi は立方性でほぼ等方性ですが、六方晶系の Cr1/3NbS2 では状況が大きく異なります。 127 K 未満では、Cr1/3NbS2 は左巻きのヘリ磁石の形をとり、その磁気モーメントは 48 ナノメートルのピッチで格子の主軸の周りに渦巻きます。らせん軸に平行または垂直に磁場を印加することが可能です。したがって、MnSi などの対称性の高い立方体キラル磁石には存在しない追加の「制御スイッチ」を提供します。 Togawa とその共同研究者は、Cr1/3NbS2 の薄いスラブのらせん軸に垂直な磁場を適用することにより、このスイッチを利用しています。 .彼らは、電子回折とローレンツ顕微鏡を使用して、磁気モーメントが完全なスパイラルを完了するのにかかる距離の増加を観察しました。基本的に、らせんは伸びますが、それはモーメントが外部磁場と整列している場所だけです (図 1 を参照)。これらの「ねじれ」は、キラル磁気ソリトン格子を定義します。研究チームは、磁場の強さを変えることで、この格子の形状を調整できることを発見しました。

理論は、キラル磁気ソリトン格子が存在し、それらがさまざまな興味深い機能を示すと予想していました。 Togawa et al. の研究は、この新しい物質の状態を初めて直接観察したものです。これらの先駆的な実験は、格子対称性と印加磁場を適切に使用することにより、そのような構造を生成して調整できることを示しています。これにより、ナノ磁気とスピントロニクスのアプリケーションに新しい展望が開かれます。著者が指摘しているように、これらのキラル磁気的特徴は、スピントロニクスデバイスの電流キャリアである巡回電子スピンの調整可能な有効ポテンシャルとして機能します。ソリトンキンクの高い安定性、堅牢性、調整可能性、およびスキルミオンのような類似のテクスチャにより、ナノスケールでの魅力的な機能への扉が開かれます。それらは、巨視的なナノスケールの磁気構造と未来の 3 次元メモリの構成要素である可能性があります [5]。

戸川欣彦　准教授