プレスリリース・研究成果

鉄シリコン化合物における室温下の電流誘起磁化反転の実現 ―希少資源を使わない省電力な次世代磁気メモリへ―

2022/12/20

発表のポイント

  • 地球上に豊富に存在する鉄(Fe)とシリコン(Si)から成る化合物FeSiにおいて、フッ化物絶縁体を接合することによって室温下での電流による磁化反転操作を実現しました。
  • 結晶内部の電子状態のトポロジーに由来したFeSiの表面の伝導状態・磁気状態を、接合する非磁性絶縁体によって大きく制御できることを発見しました。
  • 磁化反転操作に必要な電流値は他の物質と比較しても小さく、貴金属資源の制約や環境負荷を抑えつつ省電力な次世代磁気メモリへの応用が期待されます。

概要  

電子のもつ電気的な性質(電荷)と磁気的な性質(スピン)を同時に利用することによって磁石の状態を電気的に操作する技術は、現代のエレクトロニクスを大きく発展させる要素として注目されています。その中で、スピン状態を電気的に効率よく操作できる物質の探索がこれまで盛んに行われてきましたが、既存の候補物質は重元素の含有を必要とし、材料の観点からは希少性や毒性といった点で課題がありました。地球上に豊富に存在する鉄(Fe)とシリコン(Si)から成る化合物FeSiは、重元素を含有しないにもかかわらず、その表面において電流誘起磁化反転(電流で磁化の向きを反転すること)をはじめとしたスピントロニクス機能を有することが近年発見されましたが、その機能は120ケルビン以下という低い温度でしか実現できていませんでした。

東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授、藤原宏平准教授らの研究グループは、東京大学大学院工学系研究科の堀智洋大学院生、金澤直也講師、平山元昭特任准教授、理化学研究所創発物性科学研究センターの十倉好紀センター長らを中心とする研究グループと共同で、FeSiが有するトポロジカル表面状態が、各種絶縁体を接合することで大きく変調されることを発見し、特にフッ化物絶縁体を接合することにより室温における電流誘起磁化反転を実現しました。

今回の発見によってトポロジカル物性やスピントロニクス機能を、ありふれた元素の化合物でも室温下で実現可能であることが明らかにされました。資源の制約や環境負荷を抑えつつ、電子デバイスの省電力化や高機能化を大きく進展させる次世代MRAMへの応用が期待されます。

詳細

 

図1.各種非磁性絶縁体の接合によるFeSiの磁気状態・伝導状態の変調
(a) 非磁性絶縁体薄膜とFeSi薄膜のヘテロ接合構造の模式図。FeSi結晶内部は非磁性絶縁体であるのに対し、接合層との界面では強磁性金属状態を有する。(b)各種絶縁体を接合したFeSiにおける表面単位胞あたりの磁化の温度依存性。Si接合や酸化物(MgO)接合の場合と比較してフッ化物(BaF2, CaF2)接合によって磁化は室温以上でも発現するようになった。