山田貴大 化学研究所研究員（現ラドバウド大学研究員）、小野輝男 同教授、高輝度光科学センター 鈴木基寛主幹研究員、千葉大地 東京大学准教授、小山知弘 同助教、中村浩次 三重大学准教授、Abdul-Muizz Pradipto 同助教、小野新平 電力中央研究所上席研究員らの研究グループは、スピントロニクス材料として有用な白金（Pt）に電界を加えることでその磁性を制御できることを、SPring-8を用いた放射光実験で直接観測しました。この実験で得られたX線磁気分光スペクトルを解析することで、電界によるPt内部の電子状態と磁性の変調の関係性を明らかにし、Ptにおける電界効果のミクロなメカニズムを解明しました。今回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るため、新規スピントロニクス材料の開発や将来の超低消費電力磁気メモリへの応用にもつながる成果です。
本研究成果は、2018年4月3日以降に、米国科学誌「Physical Review Letters」にオンライン公開される予定です。
研究者からのコメント
本研究で明らかにされた電界効果のミクロな機構は、Pt以外のより一般的な磁性金属に電界を加えたときの現象の説明にも適用できると、私たちは考えています。この原理を材料設計に応用することで、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開発への貢献が期待されます。
本研究成果のポイント
- スピントロニクス材料として有用な白金を対象に、磁気分光測定を用いて電界による磁性の変化を観測し、その微視的なメカニズムを世界で初めて解明することに成功
- 材料に電界を加えた条件であっても、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、放射光の特色を活用したユニークな成果
- 今回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るため、新規スピントロニクス材料の開発や将来の超低消費電力磁気メモリへの応用にもつながることが期待される
概要
材料に電界を加えることによって、その電気的性質や磁気的性質を制御することができます。なかでも磁気特性の電界による制御は、磁気デバイスや磁気メモリへの応用を目指して、2000年初頭から現在まで盛んに研究されています。しかし、磁性金属においては、電界による磁性の変化がどのような仕組みで起るのかについては解明されていませんでした。
本研究では、スピントロニクス（電子の持つ電荷だけでなくスピンの自由度も利用したエレクトロニクス）材料として用いられるコバルト（Co）と白金（Pt）の積層膜を研究対象としました。 大型放射光施設SPring-8のBL39XUビームラインを用いて、強電界を加えた場合のPt電極のX線磁気分光測定を行い、強磁性状態にあるPtへの電界の効果とその背後にあるメカニズムを調べました。その結果、強電界を加えたことによって誘起されたPtの電子構造と磁性に生じた変化を、X線吸収分光法（XAS）（内殻電子軌道から価電子帯への光学遷移にともなうX線吸収を利用して、特定の原子の電子構造を調査する手法）およびX線磁気円二色性（XMCD）を用いてそれぞれ捉えることに成功しました。
さらに、実験で得られたスペクトルの変化を解析することによって、電界によるPtの電子構造と磁性の変化が、フェルミ準位（最も高いエネルギーを持つ電子のエネルギー準位）の変位および軌道混成の変化というPt内部の電子状態の変化を引き起こすミクロなメカニズムから生じていることを明らかにしました。
本成果は、材料に電界を加えた条件であっても、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、放射光の特色を活用したユニークなものであると言えます。
図1: (a) X線磁気分光測定の概略図、(b) 試料の断面図
詳しい研究内容について
書誌情報
【DOI】
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.157203
K. T. Yamada, M. Suzuki, A.-M. Pradipto, T. Koyama, S. Kim, K.-J. Kim, S. Ono, T. Taniguchi, H. Mizuno, F. Ando, K. Oda, H. Kakizakai, T. Moriyama, K. Nakamura, D. Chiba, and T. Ono (2018). Microscopic Investigation into the Electric Field Effect on Proximity-Induced Magnetism in Pt. Physical Review Letters, 120(15), 157203.
