PRESS RELEASE

2022 年 4 ⽉ 12 ⽇
理化学研究所
東京⼤学

らせん状のキラル分子は熱で磁石になる－温めると磁化が大きくなる磁石を発見－
理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター量⼦ナノ磁性チームの近藤浩太上級研究員、⼤⾕義近チームリーダー（東京⼤学物性研究所教授）、情報変換ソフトマター研究ユニットの宮島⼤吾ユニットリーダー、ソフトマター物性研
究チームの荒岡史⼈チームリーダー、東京⼤学物性研究所の志賀雅亘特任研究員、坂本祥哉助教、三輪真嗣准教授、東京⼤学⼤学院⼯学系研究科附属スピント
ロニクス学術連携研究教育センターの⼩林正起准教授らの共同研究グループは、「キラル分⼦[1]」と呼ばれるらせん状の分⼦が温めると磁⽯の性質を持つことを実験的に初めて明らかにしました。
本研究成果は、キラル分⼦科学およびスピントロニクス[2]における基礎的な知⾒として重要であるだけでなく、今後、幅広い研究分野において、この新機能を⽤いた新たな分⼦スピンデバイスが設計されるものと期待できます。
これまでキラル分⼦に電流を流すと、電磁⽯のコイルのように磁⽯としての性質が⽣まれることが知られていました。
今回、共同研究グループは、キラル分⼦と強磁性[3]⾦属薄膜からなるスピントロニクスデバイスを作製し、電気抵抗の磁場強度依存性を詳細に調べました。その結果、室温で分⼦のキラリティ[1]に依存した電気抵抗の変化を観測しました。
この「磁気抵抗効果[4]」は温めると⼤きくなることから、キラル分⼦は鉄などの⼀般的な磁⽯とは異なり、熱によって磁化[3]が⼤きくなる磁⽯であることが分かりました。これは、キラル分⼦に電流を流さなくても⾦属と触れさせるだけで、本質的に磁⽯としての性質を発現するという、これまでの常識を覆す発⾒です。
本研究は、科学雑誌『Journal of the American Chemical Society』オンライン版（4 ⽉ 13 ⽇付：⽇本時間 4 ⽉ 13 ⽇）に掲載されます。

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キラル分⼦を⽤いた磁気抵抗デバイス研究支援
本研究は、⽇本学術振興会（JSPS）科学研究費補助⾦基盤研究（A）「軌道電界制御による⾰新的磁気デバイスの創成（研究代表者：三輪真嗣）」、同基盤研究（B）「イオン伝導に着⽬したスピントロニクス機能の精密制御とその応⽤展開（研究代表者：近藤浩太）」、およびスピントロニクス学術連携研究教育センターなどによる⽀援を受けて⾏われました。

１．背景
有機物質においてスピン機能を発現させる際、分⼦のキラリティは最も重要なパラメータ―です。約 20 年前にキラル分⼦に電流を流すと、電磁⽯のコイルのように磁⽯としての性質が⽣まれることが報告されました。この性質は、キラル分⼦における「キラリティ誘起スピン選択性[5]」によって引き起こされます。
興味深いことに、キラル分⼦のこの性質を⽤いると、キラル分⼦中を流れた電流は鉄などの磁⽯に匹敵するほどの⾼いスピン偏極度[6]を持つことが報告されています。そのため、幅広い研究分野においてスピン制御の基本原理になることが期待され、現在も世界中で盛んに研究されています。
⼀⽅、最近になって、キラル分⼦に電流が流れていない状況でも、キラル分⼦が磁⽯のように働くことを⽰唆する実験結果がいくつか報告されました。これ
らの実験結果は、従来の電流が流れることによるスピン偏極効果だけでは⼗分に説明できないことから、キラル分⼦のスピン機能の発現に新たなメカニズムが存在する可能性があると注⽬を集めています。
２．研究手法と成果共同研究グループは、この起源を解明するために、スピントロニクスの研究分野でよく知られている強磁性⾦属/⾮磁性⾦属/強磁性⾦属の多層膜構造で発現する「巨⼤磁気抵抗効果[4]」に着⽬しました。
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巨⼤磁気抵抗効果では、磁化が平⾏配置か反平⾏配置かで試料の電気抵抗が変化します（図 1a）。先⾏研究で⽰唆されているように、キラル分⼦が磁⽯のように働くのであれば、強磁性体の代わりに、キラル分⼦を⽤いた多層膜（キラル分⼦/強磁性⾦属⼆層膜）においても、磁気抵抗効果の発現が期待されます（図1b）。また、このデバイスの電気抵抗測定に⽤いた電流は電気抵抗の低い強磁性⾦属層だけに流れるため、キラル分⼦には電流が流れていない状態での磁気抵抗効果を評価できます。
実験では、強磁性⾦属（ニッケル：Ni）/(P, M )-キラル分⼦の⼆層膜構造を作製し、室温で電気抵抗の磁場強度依存性を詳細に調べました。P と M は分⼦キラリティを表しています（図 1b）。

図１ ⾦属ベース磁気抵抗デバイスとキラル分⼦誘起磁気抵抗デバイス(a) 磁化（M）が反平⾏配置の場合（左）、平⾏配置（右）よりも試料の電気抵抗が⾼くなる。
(b) キラル分⼦（コイル）の中にスピン偏極が⽣成した場合、磁場により電気抵抗が変化する磁気抵抗効果が発現する。

まず、(P)-キラル分⼦を Ni 上に成膜した試料では、磁場が正の場合に電気抵抗が減少し、負の場合に電気抵抗が増⼤することが分かりました（図 2a）。⼀⽅、(M)-キラル分⼦を Ni 上に成膜した試料では、逆の傾向を⽰すことが分かりました（図 2a）。このような分⼦キラリティに依存した磁気抵抗効果は、キラル分⼦3が磁⽯として働いていることを意味しています。
次に、このキラル分⼦による磁気抵抗効果の起源を調べるために、デバイス温度依存性を調べました。その結果、磁気抵抗効果は 50 K（約-223℃）からデバイスを温めるほど⼤きくなることが分かりました（図 2b）。これは、⼀般的な鉄などの磁⽯とは異なり、キラル分⼦が熱によって磁化が⼤きくなる磁⽯であることを明確に⽰しています。

図 2 キラル分⼦誘起磁気抵抗効果とその温度依存性(a) 分⼦のキラリティに依存して、電気抵抗変化の符号が反転する。
(b) デバイスを温めると、50 K（約-223℃）から磁気抵抗効果（電気抵抗の変化の割合）が徐々に⼤きくなる。これは、熱によってキラル分⼦の磁化が⼤きくなることを⽰している。

３．今後の期待
これまで、キラル分⼦におけるスピン機能はキラル分⼦に電流を流すことで研究されてきました。しかし、本研究成果は、キラル分⼦に電流を流さなくても、⾦属と触れさせるだけで、キラル分⼦が本質的に磁⽯としての性質を発現するという、これまでの常識を覆すものです。このキラル分⼦におけるスピン機能の発現に関する新たな知⾒は、キラル分⼦科学およびスピントロニクスにおける基礎的な知⾒として重要であるだけでなく、今後、幅広い研究分野において、この新機能を⽤いた新たな分⼦スピンデバイスが設計されるものと期待できます。
４．論文情報＜タイトル＞
Chirality induced magnetoresistance due to thermally driven spin polarization＜著者名＞
Kouta Kondou, Masanobu Shiga, Shoya Sakamoto, Hiroyuki Inuzuka, Atsuko
Nihonyanagi, Fumito Araoka, Masaki Kobayashi, Shinji Miwa, Daigo Miyajima,
4and YoshiChika Otani＜雑誌＞

Journal of the American Chemical Society＜DOI＞
10.1021/jacs.2c00496
５．補足説明[1] キラル分⼦、キラリティ
右⼿を鏡に映すと左⼿に、左⼿は右⼿に⾒える。しかし、この右⼿と左⼿はどのように回転しても重ねることはできない。このような性質をキラリティという。らせん構
造を持つ分⼦は、右回りと左回りでキラリティの性質を持つことからキラル分⼦と呼ばれる。

[2] スピントロニクス
電⼦の電荷の性質を利⽤したエレクトロニクスの概念を拡張し、電⼦の持つ電荷とスピンの両⽅の性質を利⽤する電⼦⼯学分野。次世代の省電⼒・不揮発性の電⼦素⼦の動作原理を提供すると期待されている。

[3] 強磁性、磁化鉄やニッケルなどは、原⼦磁⽯のスピン（N/S の⽅向）が⼀⽅向にそろうことで、正味のスピン（磁化）が発現する。このような性質を強磁性と呼ぶ。

[4] 磁気抵抗効果、巨⼤磁気抵抗効果
試料に磁場を加えたときに、試料の電気抵抗が変化する現象。強磁性体単層で発現する異⽅性磁気抵抗効果や、強磁性体/⾮磁性体/強磁性体多層膜で発現する巨⼤磁気抵抗効果、強磁性体/絶縁体/強磁性体多層膜で発現するトンネル磁気抵抗効果など、多くの磁気抵抗効果が知られている。この効果を⽤いて、磁気センサーや磁気メモリなどが幅広く応⽤されている。

[5] キラリティ誘起スピン選択性
1999 年に Ron Naaman 博⼠らによって発⾒された現象。キラル分⼦中に電流を流すと、分⼦のキラリティと電⼦が相互作⽤し、電流の流れやすさがスピンの⽅向に依存するため、電⼦スピンの向きに偏りが⽣じる（偏極する）現象。偏極する⽅向は、キラル分⼦のキラリティによって反転することが知られている。

[6] スピン偏極度
スピンがある特定の⽅向に偏ることをスピン偏極という。⾼いスピン偏極度を持つ磁⽯を⽤いることで、巨⼤な磁気抵抗効果などが実現できることから、スピントロニクスデバイスにおいて⾮常に重要な材料パラメータの⼀つである。
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６．発表者・機関窓口＜発表者＞ ※研究内容については発表者にお問い合わせください。
理化学研究所 創発物性科学研究センター
量⼦ナノ磁性研究チーム
上級研究員
近藤 浩太 （こんどう こうた）
チームリーダー
⼤⾕ 義近 （おおたに よしちか）(東京⼤学物性研究所 教授)
情報変換ソフトマター研究ユニット
ユニットリーダー
宮島 ⼤吾 （みやじま だいご）ソフトマター物性研究チーム
チームリーダー
荒岡 史⼈ （あらおか ふみと）

近藤浩太

⼤⾕

東京⼤学物性研究所
特任研究員
助教
准教授

義近

志賀雅亘

志賀 雅亘
坂本 祥哉
三輪 真嗣

坂本祥哉

宮島 ⼤吾

荒岡 史⼈

（しが まさのぶ）（さかもと しょうや）（みわ しんじ）

三輪 真嗣

6東京⼤学 ⼤学院⼯学系研究科 附属スピントロニクス学術連携研究教育センター准教授
⼩林 正起 （こばやし まさき）

⼩林正起

＜機関窓⼝＞＊今般の新型コロナウイルス感染症対策として、理化学研究所では在宅勤務を実施しておりますので、メールにてお問い合わせ願います。
理化学研究所 広報室 報道担当
E-mail：ex-press[at]riken.jp

東京⼤学物性研究所 広報室
TEL：04-7136-3207
E-mail：press[at]issp.u-tokyo.ac.jp
東京⼤学 ⼤学院⼯学系研究科 広報室
TEL：03-5841-0235 FAX：03-5841-0529
E-mail：kouhou[at]pr.t.u-tokyo.ac.jp※上記の[at]は@に置き換えてください。
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