銅が磁石に,しかも垂直を向く新しい磁石に!

岡林 潤(スペクトル化学研究センター 准教授)

 


強磁性体と非磁性体を交互に堆積した薄膜は,磁気メモリーなどの記録素子やハードディスク内の磁気センサーとして広く用いられている。とくに,薄膜の面に垂直方向に磁化の向きを揃えて磁気記録を行う技術は,高記録密度(ハードディスクの容量を増やす)を達成するために重要となっている。これらの素子を設計することは,磁化(スピン)を操作するスピントロニクスとよばれる研究分野におけるデバイス開発ではもっとも重要なことのひとつである。しかし,強磁性体と非磁性体が接合した界面(図左)にてスピンが垂直方向に誘起されるメカニズムについて,今まで明確ではなかった。磁石は本来,膜に平行方向にスピンが揃うことでエネルギーが低くなり安定となるが,膜に垂直方向に揃う方が安定することがある。これまでに,非磁性体であるCuにおいて,膜面に平行な方向への磁化の誘起については研究が進んできたが,薄膜の面に垂直な方向の磁化観測とその設計に関する知見は得られていなかった。

   
原子レベルで制御されたCo/Cu/Pt多層構造の図(左)と各元素のX線吸収スペクトル(右上段)と磁気円二色性スペクトル(右下段)。

 
理学系研究科附属スペクトル化学研究センターでは,高エネルギー加速器研究機構放射光施設
(KEK-PF)の放射光ビームラインにて,元素別の内殻励起を用いた磁気分光(X線磁気円二色性)装置を立ち上げてきた。この装置を用いて,非磁性体に誘起される微弱な磁気シグナルをとらえることができる。今回,Co/Pt 界面に膜厚の異なるCuを人工的に挟み込み,各元素の磁気特性を調べることに着目した。Co/Pt界面は,Coの磁石(スピン)としての性質,Ptの重い元素としての性質(スピン軌道相互作用)が合わさった近接効果により,膜に垂直方向に磁化することが安定となる。この界面に非磁性体Cu層を原子レベルで人工的に挟み込むと,3原子層の厚さまではCuにも垂直方向にスピンが誘起されることが判った。図のCuの膜厚をさらに増やすと,CoとPtの間の相互作用がなくなり,近接効果が及ばずに,垂直方向にスピンが揃わなくなることもスペクトルから明らかになった。また,界面での近接効果によりCuに磁石としての性質が発現することが,解析計算によっても再現された。これらにより,原子レベルで人工的に設計した構造において,磁気特性を操作できることを実証した。

磁気記録素子やスピントロニクスの研究にて広く用いられているCuを用いた材料設計,素子設計を行う上で,Cuに誘起される磁性について知ることはきわめて重要な指針を与える。応用的には,垂直磁化を用いた高記録密度を可能にする素子設計に有用であり,基礎科学的には,近接効果がもたらす界面での誘起磁性に関する物性研究の進展につながる。「界面を制するものはデバイスを制す」とも言われる。原子レベルで制御された試料の精密分光による物性評価は,ナノテクノロジーの研究において今後益々必要となり,学生諸君のアイデアを活かせる研究分野であり,ぜひとも参入していただきたい。

本研究成果は,J. Okabayashi et al. ,Sci. Rep ., 7,46132(2017)に掲載された。 

(2017年4月13日プレスリリース)

理学部ニュース2017年9月号掲載

 


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