研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者
肥後 友也

東京大学 大学院理学系研究科特任准教授

トポロジカル反強磁性体Mn3Snにおける電子機能開拓
対称性とトポロジーに基づく反強磁性体での巨大応答の検出と制御研究の背景

更なる高性能化に向けた研究指針として、反強磁性体での強磁性体の代替が検討さ

研究の成果

PCやスマートフォンなどの通信端末やれている。反強磁性体で期待される記録速

この状況は近年の反強磁性スピントロニク

IoT・AI技術の発展により、データ流通量は度がTHz帯と強磁性体（GHz帯）に比べてス分野の発展に伴い大きく変わってきた【1】。

30年後には現在の数千倍に達することが2-3桁速いこと、漏れ磁場を出さず高集積その代表例の一つが、ワイル点と呼ばれる予想され、情報処理技術の低消費電力化化に適していることが主な理由である。
しかトポロジカル電子構造を持つ反強磁性体が求められている。磁石として知られる強磁

し、発見から70年もの間、磁化を持たないMn3Snでの巨大な異常ホール効果の観測性体の磁化の向きを「0」と「1」の情報とし反強磁性体では、強磁性体で見られるようである【2】。Mn 3 Snでは、時間反転対称性をて記録する磁気抵抗メモリ（MRAM）
は、低な磁化を自由度とする応答の検出や制御巨視的に破るノンコリニア反強磁性秩序が消費電力性と共に高書換耐性を満たし得が困難であり、応用上の大きな課題だと考

運動量空間に100 T級の仮想磁場の源となる不揮発性メモリであり、次世代半導体技えられていた（図1）。

るワイル点を誘起し、異常ホール効果などの術の本命として期待されている。MRAMの巨視的な応答が室温で現れる。本研究では、トポロジカル反強磁性体Mn3Snを舞台に、反図1 強磁性体・反強磁性体の諸物性強磁性体の表面や膜・界面における電子機能の開拓を進め、以下の成果を得てきた。
1. トポロジカル反強磁性体の表面における巨大応答の観測
磁化に依存しない巨大な異常ホール効果【2】の観測以降、その発現機構の理解が進み、Mn3Snでは複数サイトのスピンが作るクラスター磁気八極子を自由度としてワイル点由来の仮想

図2 Mn3Snの磁気(a)・電子(b)構造とクラスター磁気八極子磁区の磁気光学イメージング像(c)磁場とその応答を制御できることが分かってきた（図2a,b）。我々はクラスター磁気八極子の特性を理解し、磁化と同じように検出・制御を可能とすることで、Mn3Snの電子機能を開拓できると考えた。光を用いた非破壊・非接触の表面観察手法として知られる磁気光学カー効果の測定と磁区イメージングを室温で行った結果、これまで磁気光学応答が現れないと信じられていた反強磁性金属において、クラスター磁気八極子に由来した巨大な磁気光学カー効果の観測とクラスター磁気八極子の磁区のイメージングに成功した（図【3】。
2c）
本結果は、上記の異常ホール効果の観測と併せて、「反強磁性体では巨視的な応答の検出・制御が困難」という従来の教科書的な理解を覆し、反強磁性体が強磁性体と同様に電子機能材料として有用であることを示した。

2. トポロジカル反強磁性体の薄膜と電気的制御技術の開発

図3 Mn3Sn/重金属(W)多層膜デバイス(a)におけるホール電圧の磁場(b)・電流(c)制御実験

Mn3Snでの巨大応答の研究では主にバルク試料が用いられてきた。一方で、デバイス開発を進めるには薄膜試料が必要となる。我々はスパッタ法を用いて、巨大な異常ホール効果、異常ネルンスト効果、磁気光学カー効果に加え、カイラル異常と呼ばれるトポロジカル電子構造由来の磁気輸送現象を室温で示すMn 3 Sn薄膜を作製した【4】。
この薄膜と重金属層からなる多層デバイス

図4 Mn3Sn薄膜を用いた熱流センサー(a)における異常ネルンスト効果由来の出力電圧の磁場依存性(b)と印加熱流依存性(c)。

を用いて、クラスター磁気八極子の電気的制御と異常ホール効果による検出に成功した。本結果は、スピン軌道トルクにより磁気八極子を介してワイル点と仮想磁場を制御でき、反強磁性体でも強磁性体と同様のデバイス構造・制御技術を用いて情報記録が行えることを実証した【5】。より最近では、分子線エピタキシー法によるMn3Snエピタキシャル薄膜を作製し、エピタキシャル歪みた熱流センサー（図4a）を作製し、センサー究が進められている。最近では、薄膜技術により生じたクラスター磁気八極子の垂直が室温でも高い熱流感度を維持したまま、の高度化により作製が可能となった清浄な二値状態を電気的に制御することに成功①形状磁気異方性の影響を受けないこと、界面を持つ磁気トンネル接合において、よりした（図3a-c）。本結果は、超低消費電力、②外部磁場に対する安定性が強磁性体

実践的な情報の読出手法であるトンネル磁かつ、信頼性の高い記録技術として用いらの場合に比べて10-100倍向上することを気抵抗効果も実現でき【8】、不揮発性メモリれる「垂直磁気記録」を反強磁性体におい【7】。
実証した（図4b,c）
自己減磁や外部磁への展開も現実味を帯びてきた。
その一方て実現できたことを示している【6】。

場擾乱に強いという特性はデバイス形状ので、THz帯（ピコ秒）での情報記録や発振、自由度が高くなるという利点に加えて、不揮読出信号の更なる増強機構の開発など、3. 反強磁性体の持つ新たな電子機能の発性メモリでの多値記録を可能にするなど基礎・応用両方の観点で極めて重要となる開拓と新原理デバイスへの展開の機能に繋がり、新原理の電子デバイス開未踏の研究領域が多数残されている。反強反強磁性体では主に超高速性と高集積発への展開が期待できる。

磁性体の実用化の一助となる電子機能の開拓を夢見て、引き続き研究に尽力したい。

性が着目され研究されている。我々は新たな機能の開拓を試み、Mn 3 Sn薄膜を用いて「反磁場が非常に小さく自己減磁に強将来の展望謝辞い」という特性を実験的に示した。
この特性

本研究で着目したMn 3 Snに代表される

本研究は東京大学・中辻知教授研究は、Mn3Snが示す巨大応答が磁化ではなく巨視的な時間反転対称性が破れた反強室を中心に、同大学・大谷義近教授研究磁気八極子を自由度とし、通常は磁化に比磁性体では、クラスター磁気八極子などの室、ジョンズホプキンス大学・C.L. Chien

例し大きくなる反磁場の影響を無視できる自由度を用いることで、通常は磁化の極性教授研究室の所属時に、数多くの研究室ため現れる。
この特性の機能を示すために、変化に対応し現れる応答を検出・制御できとの共同研究のもと行われました。共同研

Mn3Sn薄膜をもとにした幅5 µm、総長1 m

る。そのため、強磁性体に代わる電子材料究者の皆様のご支援に深く御礼申し上げの細線からなる異常ネルンスト効果を用い群として、現在、様々なグループにおいて研ます。

References（参考文献）【1】V. Baltz, A. Manchon, M. Tsoi, T. Moriyama, T. Ono, Y. Tserkovnyak, Rev. Mod. Phys. 90, 015005 (2018).
【2】S. Nakatsuji, N. Kiyohara, and T. Higo, Nature 527, 212 (2015).
【3】T. Higo, H. Man, D.B. Gopman, L. Wu, T. Koretsune, O.M.J. van 't Erve, Y.P. Kabanov, D. Rees, Y. Li, M.-T. Suzuki, S. Patankar, M. Ikhlas, C.L.
Chien, R. Arita, R.D. Shull, J. Orenstein, S. Nakatsuji, Nature Photon. 12, 73 (2018).
【4】T. Higo, D. Qu, Y. Li, C.L. Chien, Y. Otani, S. Nakatsuji, Appl. Phys. Lett. 113, 202402 (2018).
【5】H. Tsai†, T. Higo†, K. Kondou, T. Nomoto, A. Sakai, A. Kobayashi, T. Nakano, K. Yakushiji, R. Arita, S. Miwa, Y. Otani, S. Nakatsuji, Nature 580, 608 (2020).
【6】T. Higo†, K. Kondou†, T. Nomoto, M. Shiga, S. Sakamoto, X. Chen, D. Nishio-Hamane, R. Arita, Y. Otani, S. Miwa, S. Nakatsuji, Nature 607, 474 (2022).
【7】T. Higo, Y. Li, K. Kondou, D. Qu, M. Ikhlas, R. Uesugi, D. Nishio-Hamane, C. L. Chien, Y. Otani, S. Nakatsuji, Adv. Funct. Mater. 31, 2008971 (2021).
【8】X. Chen†, T. Higo†, K. Tanaka†, T. Nomoto, H. Tsai, H. Idzuchi, M. Shiga, S. Sakamoto, R. Ando, H. Kosaki, T. Matsuo, D. Nishio-Hamane, R. Arita,
S. Miwa, S. Nakatsuji, Nature 613, 490 (2023).
(† : equal contribution )