東京大学の研究グループは、小さな電流を流すだけでN極とS極が反転する磁石を実現した。

 近年、情報を磁化の向きとして蓄えて高速に読み取る技術の研究が進んでいる。このような技術を用いて新たなデバイスが実現できれば、大幅な電力の削減が可能になると期待される。

 しかし、磁化の向きを変えるには、一般的に大きな電力が必要だ。磁化反転には、電子のスピンの向きを磁化に受け渡す方法や、強磁性金属薄膜と非磁性金属薄膜を接合させた2層構造に電流を流すことによって生じるスピン軌道トルクという力を利用した方法などが用いられるが、いずれも107Acm-2程度の大きな電流が必要とされる。

 今回作製したのは、ガリウム砒素という半導体にマンガン原子を数%ドーピングした強磁性半導体GaMnAsからなる極薄膜だ。この薄膜に電流を流すだけで、それも3.4×105Acm-2程度の非常に小さな電流密度で、磁化の反転が可能だという。この値は、従来の磁化反転の研究で必要とされていた電流密度よりも2桁程度小さな値だ。

 GaMnAsには、磁石としての性質とともに、内部に相対論的量子効果であるスピン起動相互作用が存在しており、これが低電流密度での磁化反転を可能にしていると本グループは推測している。さらに、スピン軌道相互作用を十分に活かすためには、大きな波数をもつ電子(または正孔)が伝導に寄与している必要があることも突き止めた。以上から、磁石となる物質の内部に大きなスピン起動相互作用と大きな波数を持つ電子が存在すれば、低電力で磁化反転できる可能性があることが見出された。

 本成果により、低電力で磁化反転できる新たな材料探索が加速することが期待される。

論文情報:【Nature Communications】Efficient full spin-orbit torque switching in a single layer of a perpendicularlymagnetized single-crystalline ferromagnet

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