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Apr. 2023

総説／解説

磁石がスマホ情報を保存している：古典磁石から量子磁石へ
山田豊和*

Magnetic Data Storage: from Classical to Quantum Magnets
by†Toyo Kazu YAMADA *(Received xxx xx, xxxx; Accepted xxx xx, xxxx)
要

約

情報は現在社会を支える基盤の一つであり IT 産業の発展は目覚ましい．一方，情報がどのようにして磁石で保存されているか正しく理解している大学生は少ない．磁石（磁化）と磁界の関係性を理解させる実験とシミュレーションを紹介する．さらに，量子コンピューターにも磁石の物理学が重要である事を示し，古典磁石と量子磁石の違いを解説する．

キーワード: 磁石, 情報, スピントロニクス, 量子磁石

1.

はじめに

では，どの物質が情報記憶に使われているのだろうか？

スマートフォンやタブレット端末など，社会にあふれる情報
社会多様な情報の中で我々は人生を享受している．情報とは何

4K TV

Smartphone

だろうか．例えば，スマホで写真を撮る．この画像が 4000× 2000 画素 (いわゆる 4K 画像)であれば，静止画像一枚で実に 8,000,000 個 ＝ 8M バイトの情報になる (M = メガ

大規模データセンター（クラウド）＝ 106) ．この静止画像を毎秒数十枚，連続して写すことで情報5G
毎秒10億個ハードディスクドライブ(HDD)

人間の目には動いているように見え，動画となる．社会全体では，天文学的な 1024 個の膨大なデータが世界を駆け巡

ウィルスより小さいナノ磁石っている．

Fig. 1 情報社会を支えるナノ磁石．

すべての情報は「1」と「0」の二進数に変換され，各企業の大規模データセンターに届く（Fig. 1）．このデータセン

現在，HDD で使われているのは「磁石」である．磁石 NS

ターで情報を記憶しているのが，ハードディスクドライブ極で「1」，SN 極で「0」の情報を保存している（Fig. 1）．

（HDD）である．HDD は家電量販店でも買うことができる．

2.

1T バイト（T = テラ ＝ 1012）であれば，1012 個の情報が記

身近な情報を記憶している磁石
HDD 内の磁石は，現在約 20 nm (ナノメートル ＝ 10-9 m)憶できる．と非常に小さい．可視光波長は 400-800 nm であるため，可令和 年 月 日受付*
千葉大学大学院工学研究院：千葉県千葉市稲毛区弥生町 133
Department of Materials Science, Chiba University: 1-33 Yayoichou, Inage-ku, Chiba-shi, Chiba 263-8522, Japan

視光波長の約 20 分の 1 の大きさの HDD 内の磁石は目では見えない．一方で，身近で情報記憶に使われている目で見える大きさの磁石もある．Fig.2 にクレジットカードの裏面を示す．これのどこに情報が記憶されているだろうか？実

†:連絡先/Corresponding author(1)Vol. 60 No. 22

題目（著者）※編集委員会にて記入します(株)シグマハイケミカル

クレジットカードマグネットビュアーＭＶ－９５
磁石

磁化+磁界
H＋M [A/m]

電磁石

磁束密度
B [T]

磁化
M [A/m]Fig. 2 カード情報を記憶する磁石．
は，黒いテープの部分，ここに磁石が隠れている．磁石の向きは人の目では見えない．磁石が赤色と青色で塗られていFig. 3 磁石を電磁石からの磁界で反転．磁気情報のデるのを思い浮かぶ人も多いが，これは人が色をつけただけである．目では見えない磁石の向きを見るため，様々な「磁ータ保存の原理の理解．
電磁石を用いる．鉄などの軟磁性体に銅線コイルを巻き電気イメージング」法が開発されてきた 1)．

磁石になる．SI 単位系で採用されている MKSA 単位系の E-Fig. 2 に，手軽に安価で磁石が簡単に見える，マグネット

B 対応を用いた場合，この電磁石からは，磁化(M)と磁界(H)ビュアー (MV-95 (株)シグマハイケミカル)を使った磁気イが足し合わさった磁束密度 B＝μ0 (H+M)が出力し，HDD 内メージングを示す．茶色のフェライト微粒子がコロイド溶のナノ磁石 1 個 1 個の磁化(M)の向きを変える 2)．

液中に拡散している．マグネットビュアーをカード上に重この情報書き込みの基本的な事： (1)磁石の向き(M)を磁ねると，磁性微粒子が磁石からの磁束密度に引き寄せられ束密度 B で反転させる事，(2)電磁石を使って磁束密度(B)をS 極に集まる．結果，Fig. 2 に示すバーコード模様が生じた

強めたり弱めたりする事，の正しい理解が大学生でも難しことから，縦長の細い磁石が配列していることが分かる．

い．理由は教科書で習う電磁気学が，実際の磁石や磁界を暗い場所が情報「0」，明るい場所が情報「1」とすれば，Fig.

使った実験と結びつきにくい点にある．

2 の「SNSNNNS」は「0101110」の情報を保存している．

そこで，我々が実施している，大学生向けの磁石の特性

これまで，高校生や大学生に，Fig. 2 のデモ実験を実施しを正しく簡単に理解できる実験を Fig. 4 に示す．この実験てきた．
「情報」という一見あいまいな言葉が，目に見えるを通して，磁束密度 B [mT]，磁化 M [A/m]，磁界 H [A/m]の形で具現化されることで，学生に磁性材料が情報社会を支えているという気づきを与える．磁石の特性を正しく理解a

し制御することで，未来の情報社会を担う希望ある学生がb増えることを切に願う．

塩ビパイプ
外直径10mm
内直径6mm3.

ポリエステル被覆銅線
直径1mm

磁化と磁場の違いから磁気情報制御の理解へ
Fig. 3 に HDD 内での磁気情報「書き込み」の仕組みを示

c

す．HDD 内にも Fig. 2 で示す磁石より約 10,000 倍小さなナd

電流電源

FEMM磁界シミュレーション

磁束計
B [mT]

ノ磁石がディスク円盤上に並んでいる．そのわずか「20 nm」
上を「磁気ヘッド」が超高速で動き回っている．この感覚

ホール
プローブ

は，ジェット飛行機が地面の上わずか数 mm をすれすれで飛び続けていることに匹敵する．磁気ヘッドから 1 個 1 個

コイル＋鉄芯の 磁 石 の 磁気 能 率 (磁 化 ベク ト ル M [A/m])に 磁 界 (H電磁石[A/m]) を印加し，情報書き込み (=データ保存) が，日々行

Fig. 4 ．実験による磁束密度 B [mT]，磁化 M [A/m]，われている．

磁界 H [A/m]の関係性の習得．(a,b)自作コイル．(c)磁特定の磁石だけにピンポイントで磁界を印加するため，束密度計測の概要．(d)FEMM 磁界シミュレーション．

(2)

3Apr. 2023

材料の科学と工学

関係性：B ＝ μ0 ( H + M )を感覚的に習得し磁気情報記憶のの距離は約 0.2 nm である．
つまり，2 nm サイズの物質には，原理が理解できるようになる．

わずか数十から数百個の原子しかない．

具体例を Fig. 4 に示す．最初にコイルを作製する (Fig. 4a)．

磁石を 2 nm サイズまで小さくしていくと，「Stoner 条件」

塩化ビニルチューブなど筒状であればよい．これにポリエと呼ばれる物理的な状況が成り立たなくなる．NS 磁石に代ステル被覆銅線(直径 1 mm)を巻き付け一層 20 巻で二層作表される電磁気学が支配する「古典磁石」から，量子力学がる (Fig. 4b)．被覆銅線の両端 10 mm 程を紙やすりで磨き被支配する「量子磁石」になる．この量子磁石をつかった情報覆を取る．そして，銅線コイルに電流 I [A]を流す (Fig. 4c)．

処理技術の例が量子計算アルゴリズム(量子コンピュータ

銅線コイルの中心軸上に，磁束計(Kanetec TM-801)のホールーの計算方法)である．Fig. 5 に古典磁石と量子磁石の違いプローブを固定し，磁束密度 B [mT]を計測する (Fig. 4c)．

を説明する．古典磁石はアボガドロ定数ほどの 1023 個の鉄電流は以下のように正側から負側に流し磁束密度の向きの原子が集まった塊(バルク)である (Fig. 5a)．一つの NS 磁石変化を計測する (0.0 A→+2.0 A→0.0 A→配線を繋ぎ変え 0.0

では 1 と 0 の 2 個の情報しか保存できない．

A→-2.0 A→0.0 A)．このデータより，縦軸 B，横軸 I のグラ

一方，量子磁石は 1 個の磁性原子で実現できる (Fig. 5b).

フを描き，近似直線より傾き α を得る (B = α I)．すると，何が異なるのか？バルクでは無数の磁性原子の電子軌道がB = α I = μ0 H なので，銅コイルが作る磁界 H [A/m] = α I / μ0

重なり電子バンド(広がり＝分散) を持つ．ところが，1 個が得られる．学生も気づくが，銅コイルだけが作る磁束密の磁性原子では，電子軌道の重なりは制限され電子バンド度は大変弱い．クリップ 1 個も引き寄せる磁力が無い．

を形成しない．縮退が解け離散準位ができる．各電子軌道

ところが，この銅コイルに鉄棒を入れるだけで磁力が一にはアップスピンとダウンスピンの二個の電子が入れる気に増大する．実際に，磁束計の値が数倍に増大し，クリッ(パウリ排他律)．各電子スピン状態は，量子力学で習う波動プが近くにあれば，多くのクリップが吸い寄せられるため，関数を用いて記述できる．そして，1 個の原子の磁気モーメ

学生は肌で磁束密度の増大を体感できる．

ントベクトルは，全スピン角運動量 S で記述できる：μ = –では，なぜ鉄棒を入れるだけで磁束密度が増大するの

g μB S (g：g 因子 ~2，μB：ボーア磁子，S：全スピン角運動か？上記と同様に，縦軸 B，横軸 I のグラフを作る．横軸 I量)．磁性原子の場合，最外殻は 3d 電子軌道である．仮にアは，上記で求めた銅コイルが作る磁界と電流のグラフで得ップスピンが 5 個，ダウンスピンが 1 個入っていれば S =た傾き α を使って，横軸を磁界に変換できる ( H [A/m] = α(5-1) / 2 = 2 となり，磁気モーメント μ = 2μB の磁石となるI / μ0 )．しかし，縦軸の磁束密度は鉄棒を入れることで大き(Fig. 5b)．

く変化する．式で書くと M が新たに加わるためである: B

1 個の原子からなる量子磁石の磁石の向きは全スピン角[T] = μ0 ( M [A/m] + H [A/m] )．学生には，M = (B / μ0) – H か運動量 S が支配する．単純に N 極 S 極とはならない．

ら鉄棒の磁化 M を求めさせ，縦軸 M，横軸 H のグラフをα|1>+β|0> の形で表記できる．アップスピンが|1>，ダウンス描かせる．すると，M-H 曲線は，ヒステリシス曲線になる．
一定の磁界(=保磁力)をかけると，鉄棒内の微小な磁区が一気に同じ方向に揃うことで磁化 M が増大し，結果として磁ab

古典磁石: 1 & 0

量子磁石 α|0>+β|1> 2N個 情報制御

金属磁石

束密度 B が増大する原理が理解できる．
実験だけでは，目に見えない磁束密度の空間分布のイメSージがつきにくい．そこで，磁界シミュレーションで検証する．フリーソフトである FEMM を使用する 3)． Fig. 4d にcシミュレーション結果を示す．

有機分子磁石１個の原子内の離散準位の例

以上を通して，磁束密度 B [mT]，磁化 M [A/m]，磁界 H
五重縮退
3d[A/m]の関係性：B ＝μ0 ( H + M )を肌で体感し理解できる．
コロナ禍では，1 時間ずつ学生を順に来させ Fig. 4 の実験を個別に行い，シミュレーションは個別に実施した．

4.

縮退解く
量子状態
S=2Fig. 5 古典磁石から量子磁石へ．(a)古典磁石．(b)上部：量子磁石となる孤立した磁性原子二個の観察例．

磁石は小さくなる：古典磁石から量子磁石へ

下部：金属元素に存在する価電子のうち s と p 軌道は今後の素子開発は 20 nm サイズから 2 nm サイズになる無視した d 軌道のみの離散準位．(c)有機分子磁石．とニュースで報道されている．物質最小の原子と原子の間(3)Vol. 60 No. 24

題目（著者）※編集委員会にて記入します

a 走査トンネル顕微鏡(STM)

量子磁石の研究開発が，このような最先端の高分解能顕探針微鏡を用いて世界中で研究が実施されている．実際には，原子一個は熱拡散しやすいため，Fig. 5c に示すような有機分子磁石で 1 個の磁石原子を固定して実用化する方法が試

0.5-1.0 nm
原子数個分

b 形状像

原子トンネル－電子

みられている 9-13)．さらに，有機分子磁石を超伝導基板につけることで，準粒子励起と呼ばれる量子コンピューターに基板不可欠な状態の研究開発が進んでいる 14)．

c 磁気像

6.

おわりに情報が社会に果たす役割が大きくなる一方で，情報記憶を支える磁気情報デバイス (スピントロニクスデバイス)

6の教育現場への教材や実験教育方法の普及は進んでいない．

7

未来の量子コンピューター社会を支える人材育成には，量8子磁石の理解も重要である．本解説が磁気情報や量子情報

20 nmなどの未来の IT 産業を支える人材育成の助けになることを願う．

Fig. 6 原子が見える走査トンネル顕微鏡 (STM)．(a)STM モデル図．(b)Mn 薄膜表面の STM 形状像．(c)形

参考文献

状像と同時に得た磁気像 5-8)．矢印が磁化の向き．

1) 大島則和，小野寛太，笹田一郎，三俣千春，山田豊和：

ピンが|0>と考えてよい 4)．そして，α と β は「波」として

磁気イメージングハンドブック, 共立出版, (2010)

記述できる点が量子力学の面白さである：例，α = A (cosθ +2) 高梨弘毅：磁気工学入門, 共立出版, (2013)

i sinθ)．つまり，上向きと下向きスピンが波のように変化で

3) https://www.femm.info/wiki/HomePage, ア ク セ ス 日 時きてしまう．その結果，原理的には１個の量子磁石で 2N 個2023 年 1 月 12 日.の情報が制御できると期待されている．夢のような磁石で4) 後藤憲一，西山敏之，山本邦夫，望月和子，神吉健，興ある．

地斐男：量子力学演習, 共立出版, (1982)

ではどのようにすれば，物質最小である 1 個の原子を制

5) T. K. Yamada, H. van Kempen et al., Phys. Rev. Lett., 90

御してデバイスに使えるだろうか？

5.

056803 (2003).
6) S. Schmaus, T. K. Yamada et al., Nature Nanotechnology 6,原子分子が見える走査トンネル顕微鏡

185 (2011).

量子コンピューター実現の有力な候補材料が量子磁石で7) T. K. Yamada and A. L. Vazquez de Parga, Appl. Phys. Lett.

ある．そのためには，1 個の原子磁石が制御できなくてはな

105, 183109 (2014).

らない．Fig. 5b で二個の鉄原子を示した．この原子を見る

8) L. Mougel, T. K. Yamada et al., Appl. Phys. Lett. 116, 262406

ために開発されたのが，走査トンネル顕微鏡 (STM)である(2020).

(Fig. 6)．この顕微鏡は，原子レベルに尖らせた探針を使う．

9) T. K. Yamada, K. Nakamura et al., Phys. Rev. B 94, 195437

探針を試料の上，わずか原子数個分(0.5-1.0 nm)の位置にピ(2016).

タッと止め，非接触で試料表面をなぞるようにして形状を

10) E. Inami, T. K. Yamada. et al., Scientific Reports 8, 353 (2018)

観察できる．Fig. 6b は磁性マンガン薄膜表面の STM 形状像

11) E. Inami, T. K. Yamada. et al., Anal. Chem. 90, 8954 (2018)

を示す．Fig. 6c は同時に得た磁気像である．磁気像中でマ12) E. Inami, T. K. Yamada. et al., J. Phys. Chem. C 124, 3621

ンガン膜一層毎に明暗が反転している．これはマンガン膜(2020).

が原子一層毎に磁化が反転していることを示す 5-8)．現在，

13) H. Chen, T. K. Yamada et al., Phys. Rev. B 103, 085423 (2021)

1 個の原子サイズの磁石を直接観察するには，この STM を

14) C. G. Ayani, T. K. Yamada et al., Nanoscale 14, 15111 (2022)

用いた磁気イメージングが有効と考えられている (スピン偏極 STM，と呼ばれる)．

(4)