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トポロジカル反強磁性金属の超高速スピン反転を実証

April, 19, 2021, 東京/仙台--東京大学、東北大学の研究グループは、物質中の電子がもつ磁石としての性質、すなわちスピンの反転速度が反強磁性金属では10ピコ秒と極めて速いことを実証した。

ナノサイズの磁石を利用するエレクトロニクス技術をスピントロニクスと呼ぶ。スピンを電荷とともに利用することで、これまでの技術では実現できなかった新しい機能を持つ電子デバイスの創出が期待されている。代表的なデバイスとしては超高密度ハードディスクドライブ用磁気ヘッドや不揮発性メモリMRAMがある。これまでスピントロニクスでは磁石材料として強磁性金属が用いられた。一方で反強磁性金属は強磁性金属と比べてスピンの反転速度が10~100倍速いピコ秒台と予想され、新たな電子デバイス材料として注目されている。しかし、反強磁性金属におけるスピンの動きを時間軸で観測した例はなく超高速性は予測に過ぎなかった。
 研究ではトポロジカル反強磁性金属と呼ばれる特殊なマンガン合金を用いてスピンの動きを実時間で捉えることに成功し、その反転速度が10ピコ秒以下と超高速であることを実証した。これは実用化されているMRAMに比べて10-100倍程度速く読み書きができることに相当し、この材料を用いた電子デバイスを作製すれば、超高速動作が可能になる。

研究成果は国際科学雑誌「Small Science」において、2021年4月15日付オンライン版に公開された。

研究のポ要点
・反強磁性金属における超高速スピン反転の観測に初めて成功
・反強磁性金属のスピン反転が10ps以下であることを実証
・読み出し/書き込み速度が実用化されている不揮発性メモリと比較して10-100倍速いテラヘルツ電子デバイスの開発に大きな一歩

研究グループ
東京大学物性研究所・トランススケール量子科学国際連携研究機構の三輪真嗣准教授、同研究所・同機構・東京大学大学院理学系研究科の中辻知教授は、同研究所の冨田崇弘特任助教、Ikhlas Muhammad大学院生、坂本祥哉助教、同研究科の肥後友也特任准教授、同研究所・同機構の大谷義近教授(理化学研究所 創発物性科学研究センター チームリーダー)、同大学大学院工学系研究科の野本拓也助教、有田亮太郎教授(理化学研究所 創発物性科学研究センター チームリーダー)、東北大学学際科学フロンティア研究所の飯浜賢志助教、同大学材料科学高等研究所の水上成美教授