大阪大学大学院工学研究科の白土 優 准教授、同大学院生 氏本 翔さん（博士前期課程 研究当時）、鮫島 寛生さん（博士前期課程）、名古屋大学大学院工学研究科の森山 貴広 教授、三重大学大学院工学研究科の中村 浩次 教授、関西学院大学工学部の鈴木 基寛 教授、高輝度光科学研究センターの河村 直己 主幹研究員らの共同研究グループは、反強磁性体であるクロム酸化物（Cr2O3）薄膜に対して、低消費電力・高速駆動が可能な電圧によるスピン制御技術を開発しました。また、その制御効率を従来材料である強磁性体の50倍以上に高効率化することに成功しました。
強磁性体（磁石）は、磁化（マクロなN極－S極）をもつ材料であり、現在の磁性デバイスや磁性材料の主役です。反強磁性体は磁性材料の一種ですが、強磁性体（磁石）のように磁化（マクロなN極－S極）が発生しないため磁場による磁性制御や磁気情報記録が難しく、これまでは利用価値に乏しい磁性材料とされてきました。一方で、反強磁性体材料には、次世代高速通信（Beyond 5G(6G)）での利用が期待されるテラヘルツ（テラは1012）の周波数領域で効率的な動作が可能であるという、強磁性体にはない利点があります。そのため、反強磁性体の磁性をどのように制御するかが重要な課題となっています。今回、研究グループは、反強磁性体であるクロム酸化物（Cr2O3）薄膜を用いることで、電圧によって反強磁性体のスピン（磁化の起源となるミクロなN極－S極の対）の向きを制御することに成功しました。また、印加する電圧や磁場の強さによってスピン反転条件を高効率に変調できることを明らかにし、変調効率（単位電界あたり）が従来の強磁性体の50倍以上の高効率であることを明らかにしました）。
近年、IoT技術の発達による情報通信の高速化が予測され、また、AI技術の進展により情報処理デバイスの高速・低消費電力化が必要とされています。本成果は、不揮発メモリ素子として期待される磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM）を含む様々なスピントロニクス素子における、低消費電力かつ高速なスピン方向制御技術のための「ナノスピン材料」に関する基礎物理学の理解を進展させるとともに、テラヘルツ領域で駆動可能な低消費電力スピンデバイスの実現に道を拓くものです。
◆ 反強磁性体※１であるクロム酸化物（Cr2O3）※２において発現する電気磁気効果※３を用いて、磁性の起源であるスピン※４を電圧で制御することに成功
◆ 電圧（電界）によるスピンの向き（ミクロなN極－S極の向き）の制御効率を、従来材料の50倍以上増大させることに成功
◆ 低消費電力かつ超高効率にスピン制御が可能で、電圧で動作できるナノスピン材料の開発指針を提示
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※1 反強磁性体
強磁性体とは、磁石につく性質をもった磁性体のことを指す。また、それ自身で磁石になりやすい性質も持つ。強磁性体の中では、磁化（電子のスピン）が同じ方向を向こうとする。それに対して、反強磁性体の中では、隣り合う電子のスピンは互いに反対方向に向く。このため、反強磁性体は、外部に磁束を発生しないため磁石につく性質をもたない。
※2 クロム酸化物（Cr2O3）
クロム（Cr）と酸素による化合物であり、化学式としてCr2O3をもつ化合物が最も安定となる。結晶中で、クロムは３価のイオン（Cr3+）として存在し、酸素は２価のイオン（O2-）として存在する。磁性材料としては、クロム（Cr3+）が磁性を担うスピンを持ち、隣り合うスピンが反平行に配列することで、反強磁性を示す。
※3 電気磁気効果
電界（＝電圧／膜厚）によって、反対方向に向いたスピンの大きさが変わる現象であり、これによって正味の磁化が発生する。また、磁場の印加によって、誘電分極が発生する。通常の磁性体では、電界（電圧）と磁化（スピン）は結合しておらず、片方の変化がもう一方に影響を及ぼすことはないが（物理的には，非共役と呼ばれる）、電気磁気効果を利用することで、磁性と電界（電圧）を結晶構造を介して結合させることができる。
※4 スピン
電子は負の電荷を持ち、電荷は静電気や電流の起源となる。また、電子が回転運動している場合、電子の回転運動に対応して、磁気モーメントが現れる。回転運動には、原子核の周りをまわる軌道運動に加えて、自転に相当するスピンと呼ばれる運動がある。磁気モーメントの大きさを決める主な原因は、スピンである。スピントロニクスとは、電子の電荷とスピンの両方を利用することで、一方の性質のみを利用したデバイスを凌駕する新しい機能を創出する学術分野である。
本研究成果に関する情報は、英国科学誌Nature系の専門誌「NPG Asia Materials」（オンライン:2024年4月5日（金）午前9時（日本時間））に掲載されます。
タイトル：Giant gate modulation of antiferromagnetic spin reversal by the magnetoelectric effect
著者名：Kakeru Ujimoto, Hiroki Sameshima, Kentaro Toyoki, Takahiro Moriyama, Kohji Nakamura, Yoshinori Kotani, Motohiro Suzuki, Ion Iino, Naomi Kawamura, Ryoichi Nakatani, and Yu Shiratsuchi
DOI : 10.1038/s41427-024-00541-z
雑誌 : NPG Asia Materials vol. 16, article number: 20 (2024).
本研究は、主に、以下の事業の支援を受けて行われました。
・科研費基盤研究(B) 研究課題「交差相関材料における分極反転メカニズム」（課題番号：22H01757）
・科研費挑戦的研究（萌芽） 研究課題「薄膜成長プロセス制御による複合酸化物薄膜の強磁性化」（課題番号：22K18903）
