スピントロニクス材料の発展と展望高.

スピントロニクス前史金属人工格子

スピントロニクスの歴史を遡れば，金属人工格子の研究に.

梨弘

毅

巨大磁気抵抗効果の発見

磁気光学効果と垂直磁化にやや遅れてもう一つ，人工格子行き着くことができる．金属人工格子とは，異なる金属をナの優れた機能性が明らかにされた．それが 1988 年に報告さノスケールで人工的に積層した薄膜状物質である．金属人工れた Fe/Cr 人工格子における巨大磁気抵抗効果(GMR)であ格子の研究は 1980 年頃から始まったが，これは実際に金属る(4)．GMR はスピントロニクスの原点と考えられている．

薄膜の成長をナノスケールで制御できるようになったとい

しかし，GMR の発見の前に層間交換結合の研究があったこう，真空技術や成膜技術の発展によるところが大きい．金属とを忘れてはならない．P. Gr äunberg らは，金属人工格子に人工格子(以下，人工格子と略)は従来にない新物質として期おいて非強磁性層を介した強磁性層間の交換結合に興味を持待されたが，当初は大きな注目を集めるような新物性や新機ち，ブリュアン散乱を用いたスピン波の研究から，ナノスケ能は見出されなかった． 1986 年には酸化物高温超伝導体がールの Cr 層を介して Fe 層の磁化が反強磁性的に結合する発見され，材料科学や物性物理を専門とする多くの研究者のことを見出し，1986年に発表した(5)．これを知った A. Fert

注目がそちらに集まり，人工格子の研究は廃れていくのではらは，隣接する強磁性層の磁化の相対的配置が電気伝導にどないかと危惧される時期もあった．のような影響を及ぼすかに興味を持ち，電気抵抗は反強磁性

人工格子の研究で一筋の光が見えたのは，磁気光学効果の的な配置で大きく，強磁性的な配置になると著しく減少する増大(1)と界面磁気異方性による垂直磁化の発見(2)であろう．

こ とを 見出し た(4) ． これ が GMR で ある ． P. Gr äunberg ら

当時( 1980 年代)の磁気記録分野では，ハードディスクドラも，論文発表は A. Fert らにやや遅れたが(6)，同時期に同様イブ( HDD )の将来がまだ見通せず，光磁気記録に多くの期の現象を発見し，国際会議で発表していた．

待が寄せられていた．記録密度の向上には短波長化が不可欠

Fe/Cr 人工格子で GMR が発見されると，多くの研究者にであり， Co/ Pd や Co /Pt などの人工格子は垂直磁化を示す

よってさまざまな人工格子で磁気抵抗効果の測定が行われ，上に，希土類遷移金属系のアモルファス薄膜に比べて短波隣接する強磁性層の磁化の相対的な配置によって電気抵抗が長側で大きな磁気光学効果を示すというメリットがあり，多変化することが確認された．また，特に大きな抵抗変化を示

くの研究が行われた．最終的には，粒界ノイズなどの問題にすのは Fe / Cr 系あるいは Co / Cu 系( CoFe / Cu を含む)であ

よって，人工格子は光磁気記録材料として実用化に至らなかることがわかり，理論的な裏付けも行われた．さらに，ったが，材料学史の一つとして記憶に留めておいて良い(3)．

GMR の出現に必ずしも反強磁性的な交換結合が必要ではな

また，界面磁気異方性による垂直磁化は，スピントロニクス

く，磁化の反平行配置と平行配置を制御できれば良いことがの代表的なデバイスである磁気ランダムアクセスメモリ認識された．そして，低磁場で磁化配置を制御できる構造と(MRAM )の高性能化のためのキーテクノロジーとして現在してスピンバルブが提案され，GMR の応用研究が一気に加注目されており，再び多くの研究が行われていることは感慨

速し，発見から僅か 10 年を経た 1998 年には HDD の読取ヘ

深い．

ッ ド と し て 完 全 に 実 用 化 さ れ た ． P. Gr äunberg お よ び A.

東北大学金属材料研究所教授(〒9808577 仙台市青葉区片平 2
11)
Development and Prospect of Materials for Spintronics; Koki Takanashi(Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai)
Keywords: metallic superlattices, giant magnetoresistance, tunnel magnetoresistance, spin current, half metals, spinorbit interaction
2016年 7 月19日受理[doi:10.2320/materia.56.190]

特集Fert は， GMR 発見から約 20 年，実用化からは約 10 年後の2007年にノーベル物理学賞に輝いた(7)(8)．

.

スピントロニクスの誕生と発展

GMR の研究をここであらためて振り返ってみると，その主役は人工格子という新物質であり，材料であった．人工格

人工格子の研究が一段落つきかけていた 1990 年代の半ば

子の研究は，草創期( 1980 年頃)から日本で盛んに行われてには，室温における大きなトンネル磁気抵抗効果(TMR)がおり，日本はいわばパイオニア的存在であった．GMR が日報告された(10)(11) ． TMR は，電子がトンネルできる程度の本で発見されなかったことは残念なことであるが，日本は人薄い絶縁体層を強磁性金属で挟んだときに，強磁性層の磁化工格子に関する基礎的な知見や技術を十分に持っていた．その相対的な配置によってトンネル抵抗が変化する効果で，現こで，GMR 発見以後，盛んに行われるようになったスピン象として GMR と類似性がある． TMR 研究の歴史は長く，依存伝導の研究において，日本は主導的な役割を果たすこと

GMR 発見以前から研究されていた(12) のだが， 1990 年代まになった． 1990 年に藤森啓安教授(東北大学，当時)を代表で室温で大きな値は報告されていなかった．室温における大として科学研究費重点領域研究「金属人工格子」が設定さ

きな TMR の発見はスピン依存伝導の研究をさらに加速され，創製から構造評価，物性まで全国規模で研究が推進されせ，その応用範囲は HDD のみならず MRAM へと拡大した．

た(9)．ここで物性は GMR を含む磁性が中心であったが，超一方，この間，半導体分野でも独自の大きな発展があり，伝導や力学特性， X 線光学なども含まれていたことを注意

強磁性半導体の作製やキャリア誘起磁性の研究が盛んに行わしておきたい． 1993 年には，京都で第 1 回金属人工格子国れるようになった． 1990 年代の末には，金属分野において際シンポジウム(The 1st Symposium on Metallic Multilayers:も半導体分野においても，このようなスピンと電気伝導に関MML1993 )が開催されたが，主催学会は日本金属学会であ係する分野をスピンエレクトロニクス，あるいはスピントロる．GMR を含む人工格子の研究では，日本金属学会は大きニクスと呼ぶようになった．その頃から研究の方向にも多少な役割を果たし，多くの研究者が集う場であった．その後ス変化が現れ始めた．それ以前は，スピン依存伝導の問題，すピントロニクスの時代に入ると，中心が金属から応用物理になわち磁化が電気伝導に与える影響が研究の中心であった．

移った感があるが，後に述べるようにブレイクスルーのキー

しかし， 21 世紀に入る頃から，逆に電気伝導が磁化に与えは材料であることに変わりはない．

る影響に興味が持たれるようになり，スピン注入磁化反転や自励発振，電流による磁壁駆動などの研究が勃興した．表に，GMR の発見から始まり，スピントロニクスが大きく発展した 2000 年代半ばまでの顕著な研究成果を，金属系と半

表1

スピントロニクス年表(1)．

GMR 発見の1988年から2007年まで20年間の重要な発見，研究，出来事を金属系と半導体系に分けてまとめた．
(文献(13)より採録)

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
Materia Japan導体系に分けて模式的にまとめた(13) ．これより，スピントロニクス研究の発展における日本の貢献の大きさを理解できと制御のための材料研究最前線」が掲載された．
表に， 2007 年以降現在までのスピントロニクス分野にるであろう．

おける注目すべき成果を私の独断と偏見で抽出し，年次毎に.

らないが，同時にスピントロニクスがスピン流研究の発展をまとめた．日本人研究者の貢献が大きいことは表 1 と変わスピン流研究の勃興とポストスピントロニクス経て，新しい段階に入っていることに気付く．スピントロニ
表 1 からもう一つわかることは， TMR，スピン注入，スクスとは，本来スピンと電気伝導に関わる分野であり，言いピンホール効果など，金属系においても半導体系においても換えればスピン流と電流に関する分野であったが，今では熱同様の物理現象が研究対象となっていることである．このよや力学的運動によってもスピン流が発生することが実験的にうな経緯の中で，金属や半導体といった既存の材料分野の枠明らかにされ，エレクトロニクスに留まらず大きく分野を広を超えて，スピン流が注目されるようになった．スピン流とげている．熱に関わる分野をスピンカロリトロニクス，力学は電子のスピン角運動量の流れであるが，電流とは異なり，的運動に関わる分野をスピンメカニクスと呼ぶこともある．

実験的にも電流と分離して生成・検出することができる．電また，界面での結晶対称性の破れや， Pt や Ta などの重い気的には絶縁体であっても，スピン波(マグノン)によってス元素の使用によって，スピン軌道相互作用が従来の予想を超ピン流を流すこともできる．スピン流はスピントロニクスにえる大きな効果をもたらすことがある．スピン軌道トルクにおける最も基本的な概念の 1 つで，磁気と電気，あるいはよる磁化反転はその一例である．また，空間の非反転対称性磁気と他の物理量との変換の基礎である． 2007 年から 5 年とスピン軌道相互作用を起源として磁気モーメント間に働く間，筆者が領域代表となり，科学研究費特定領域「スピン流ジャロシンスキー・守谷相互作用は，きわめて弱い相互作用の創出と制御」が設定され，スピン流創出源となる材料からと考えられていたが，磁性超薄膜の磁気構造やダイナミックナノへテロ構造，スピン流に関わる物性と機能制御に至るまスに顕著な影響を及ぼすことが明らかにされつつある．これ

で，金属や半導体という既存分野の枠を越えて，全国のスピらのスピン軌道相互作用が特に強い系に関する研究は，スピントロニクス研究者が結集して研究を進めた．そして，スピンオービトロニクスと呼ばれる．スピンカロリトロニクスやンゼーベック効果や巨大スピンホール効果の発見，スピン波

スピンメカニクス，スピンオービトロニクスはスピントロニ

スピン流やスピンダイナミクスに関する研究など，スピン流クスから発展した新しい分野であり，ポストスピントロニク研究に大きな発展をもたらす成果が得られるとともに，ハースと言うことができる．

フメタル・ホイスラー合金の膜面垂直通電型(CPP)GMR な
ど，材料研究においても進展があった．また，それまであま.

先端材料と将来展望り馴染みのなかったスピン流という言葉が一般的に使われるようになり，スピン流に関わる研究会やシンポジウムが多くスピントロニクスは GMR の発見から始まり，TMR の研開催されるようになった．日本金属学会においても， 2010

究によってさらに大きく発展した． GMR も TMR も HDD

年春季講演大会で「スピン流の創出と制御のための材料創製の読取ヘッドとして完全実用化され，IT の発展に貢献した．と評価」と題する公募シンポジウムが開催され，さらに会報

GMR や TMR は，薄膜の積層制御や界面制御など，まさにまてりあの 49巻 12号( 2010 年)にミニ特集「スピン流の創出材料技術の結晶である．HDD のさらなる高記録密度化に対表2

スピントロニクス年表(2)．

科研費特定領域「スピン流」が設定された2007年以後の重要な発見，研究，出来事をまとめた．

特集

応する読取ヘッドとして，現在 CPPGMR が注目されている．現在用いられている MgO トンネル障壁を用いた TMR

文献は，抵抗変化率は大きいが，電気抵抗も高いことが高記録密度化への障碍となっている．一方 CPPGMR は全層が金属で構成されているのでそもそも電気抵抗は低いが，抵抗変化率も小さいことが問題であった．しかし，ハーフメタル・ホイスラー合金を電極材料として用いることによって，近年大きな抵抗変化率が得られるようになった(55)．ハーフメタルとは，伝導電子のスピン分極率が100となる特異なバンド構造を有した物質であり，究極のスピントロニクス材料と期
待 さ れて い る． Co2MnSi な ど のホ イ スラ ー 合金 の 一部 やFe3O4 などの酸化物の一部はハーフメタルと考えられている．これまでのスピントロニクスで使われてきた磁性材料は，Fe, Co, Ni をベースにした言わば従来型の合金であるが，今後のスピントロニクスには，ハーフメタルの使用など，磁性材料そのものの高度化が必須である．
HDD の読取ヘッドに加えて，スピントロニクスのもう一つの大きな応用として MRAM がある．MRAM のメモリーセルとして TMR 素子が使われるが，今後 MRAM がどれだけ高性能化し市場規模を伸ばせるかも，TMR 素子の電極となる磁性材料にかかっている．MRAM の高性能化に必要な磁性材料には，高い抵抗変化率と低電流による磁化反転および長時間の記録保持を実現するために，高いスピン分極率と高い磁気異方性，低い磁気ダンピング定数の 3 つの条件を満足しなければならない．高いスピン分極率を有するハーフメタル・ホイスラー合金は，ダンピング定数は低いが磁気異方性も低い．一方，高い磁気異方性を有する材料は，一般的に磁気ダンピング定数も高い．いまだに最適な材料は見出されてはいないのが実状である．
最近では，究極の低消費電力を実現するスピントロニクス素子への応用として，電流は流さず電圧印加による磁化の制御も注目されている(56) ．表 1 および表 2 にも示したように，磁性体の電圧制御(電界効果)はスピントロニクスの歴史とともに比較的古くから研究されてきているが，素子応用には電界効果のさらに大きな材料が求められている．
前節で述べたポストスピントロニクスは，現在基礎研究の段階であるが，素子としての応用を考えると材料の高度化が不可欠である．スピンカロリトロニクスやスピンメカニクス
では，応用のためには熱(力学的運動)⇔スピン流⇔電流の変換効率の桁違いの向上が必要であり，新物質の開発と原子レベルの界面制御が求められる．また，スピンオービトロニク
スでは，一般にスピン軌道相互作用が高い元素は高価であり，応用には元素戦略的な観点が必要である．応用へのブレ
イクスルーはあくまで材料であり，日本金属学会がスピントロニクスそしてさらにポストスピントロニクスにおいても，材料分野のコミュニケーションの場として，大きな役割を果たすことを期待したい．

ま て り あ 第56巻 第 3 号(2017)
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編，丸善，(2000), 第 9 章．
( 8 ) 解説として，高梨弘毅巨大磁気抵抗効果，スピントロニク
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( 56 ) 例えば， JST 革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)，無充電で長時間使用できる究極のエコ IT 機器の実現
http://www.jst.go.jp/impact/program/04.html★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1986 年 3 月

高梨弘毅

東京大学大学院理学系研究科博士課程修了
1986年 4 月 東北大学金属材料研究所助手
同助教授
1994年 2 月
同教授(～現在)
2000年11月
同所長(～現在)
2014年 4 月
専門分野磁性材料学・スピントロニクス◎学生時代から現在まで一貫して磁性薄膜の研究に従事．金属人工格子の研究からスタートし，現在はスピントロニクス材料としての規則合金薄膜の研究に取り組んでいる．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

特集