丸文学術賞 受賞者

研究紹介

千葉 大地

東京大学 大学院工学系研究科 准教授

電界印加による磁気特性の制御磁性を自在に制御し、そのポテンシャルを引き出す研究の背景がりを見せつつある。
「一度作った磁性体半導体を用いて得られた【3-5】。GaAsやInAsの性質は後から変えられない」という常識などの化合物半導体にMnを%オーダでドー半導体のMOS構造では、ゲート電界には、すでに過去のものとなりつつある。

プしたものが代表的である。
どれも原理実証としては世界初であったが、そのキュリー温より半導体層表面のキャリア濃度を制御することができる。これは電界効果トランジ度が低いために、動作は室温よりはるかに研究の成果

スタのチャネルのゲーティング（電流のス低い温度に限定されていた。

イッチング）に広く用いられている。一方、磁本研究の重要な成果は、電界により磁特に磁気記録データの書き込み用途に性体は自発磁化を持っていることが最も重力をスイッチできるということを見出したこと電界を利用するためには、当然、室温で動要な性質であり、その方向を制御するためである。つまり、電界を変えることで、磁石を作する材料を用いなければならない。
そこでに（特に磁気記録においては情報を書き磁石ではない（常磁性）状態にしたり、もと筆者らは身近な金属の磁性体、特に3d遷込むために）、電流磁界を加えたり、スピンに戻したりすることができるようになった。
こ移金属強磁性体を用いて実験を継続した。

偏極電流を流してトルクを加える【1, 2】など

れまでも、温度を変えたり、作る段階で合金金属では遮蔽効果が大きいため、超薄膜をの手法が用いられてきた。
しかし、これらはの組成を変えれば、磁石⇔非磁石の状態用いて実験を行った。図2は、2原子層程度電流を必要とするために、ジュール損失がはもちろんコントロールできたが、一度作っのコバルト超薄膜における、室温付近での避けられない。冒頭で述べた半導体におけた磁石の状態を電気的に後から制御する実験結果である【6】。正のゲート電圧では矩る電界効果は、損失の少ない手法であったことができるようになった。

形のループを描いているのに対し、負の電からこそ広く用いられているわけである。磁図1は素子の基本構造と電界による磁性圧ではループが完全に消失している。これ性体における電界効果を見出し、それを活制御のイメージである。ゲート電極/絶縁膜は磁界と磁化の方向が平行になったり垂用できないか、それが本研究を開始する発/強磁性電極からなるキャパシタンス構造と直になったりと変化しているためでは？ と、端となった。次の「研究の成果」
で述べるよなっている。ゲート電圧を加えると、強磁性層結果が得られた当初は期待した。つまり、磁うに、磁性体における様々な電界効果が見のキャリア濃度が増減し、磁化の方向や、磁化の方向が電界で変化しており、当初の目つかり、分野の拡大と同時に、用いる材料力が変化（若しくは強磁性状態そのものが論見通りではないかと喜んだ。
しかし、よく調も半導体磁石から身近な金属磁石まで広消失）する。
このような現象ははじめ、強磁性

べてみると、負の電圧のときは、磁力そのも

図1 磁性の電界効果に用いた素子の基本構造と、電界効果のイメージ

ゲート電極

電界‒‒‒‒‒‒‒‒‒‒

絶縁膜
強磁性体

++++++++++

NS
強磁性

常磁性

‒+図2 コバルト超薄膜の各ゲート電圧印加時の磁気ヒステリシス曲線。
縦軸はホール抵抗であり、異常ホール効果により磁化に比例するのが消失している＝磁石ではなくなっている

図3 コバルト超薄膜の各ゲート電圧印加時の磁気モーメントの温度依存性

子1個あたり平均で0.1個弱であった。

く、室温付近で磁石の性質自体がスイッチできることが実証された。

かったものが電界効果により磁石となるかどうか、これが次の興味である。あらゆる物ことが分かった。つまり、温度を変えることな将来の展望質の磁性を自在に制御することを試み、その技術を蓄積することで、その事実と技術その制御ウィンドウを拡大するため、電気このように、現在は金属原子一個が持が材料の利用の幅を広げることにつなが二重層キャパシタ構造を用いた。イオン液

つ電子の数を10%に迫るオーダーで変えるかもしれない。やってみて実感したことで体をコバルト超薄膜と金箔で挟み込み、電ることができる。この技術を応用し、様々はあるが、このようにして磁石の性質を自圧を加えると、イオンが移動してコバルト表な磁石の性質を大きく変えることができる

在に制御する手法を開拓することは、ギリ面付近に密集する。
これにより、コバルト表と期待される。最近は多くのグループが磁シャ時代から用いられてきた磁石を人為的面の電子密度を制御するやり方である。こ性の電界制御を試みており、室温で磁化に制御する「現代の手法」
として、材料科れにより強力な電界を加えることが可能で方向を連続的にスイッチすることも可能と学の分野に新たな光を灯すものとなるのある。図3は、各ゲート電圧印加時の磁気なってきた【8, 9】。このような電界による散ではないかと期待している。

モーメントの温度依存性である。室温を挟逸の少ない磁石の制御手法は、現在開

本研究は、東北大学電気通信研究所・んで約100度もの温度範囲で、磁石⇔非発が進んでいる磁石をメモリとして用いる

大野英男教授研究室、京都大学化学研

磁石状態がオンオフできていることが確認

集積回路において近い将来使われるよう究所・小野輝男教授研究室、東京大学のできた【7】。
この時、ゲートキャパシタンスからになるかもしれない。材料科学の観点から私の研究室において行われました。共同研見積もられる電子数変化量は、コバルト原

は、これまで天然には磁石として存在しな究者の皆様方に深く感謝申し上げます。

References（参考文献）【1】J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, L1（1996）.
【2】L. Berger, Phys. Rev. B 54, 9353
（1996）.
【3】H. Ohno, D. Chiba, F. Matsukura, T. Omiya, E. Abe, T. Dietl, Y. Ohno, and K. Ohtani, Nature 408, 944（2000）.
【4】D. Chiba, M. Yamanouchi, F. Matsukura, and H. Ohno, Science 301, 943（2003）.
【5】D. Chiba, M. Sawicki, Y. Nishitani, Y. Nakatani, F. Matsukura, and H. Ohno, Nature 455, 515（2008）.
【6】D. Chiba, S. Fukami, K. Shimamura, N. Ishiwata, K. Kobayashi, and T. Ono: Nat. Mater. 10, 853（2011）.
【7】K. Shimamura, D. Chiba, S. Ono, S. Fukami, N. Ishiwata, M. Kawaguchi, K. Kobayashi, and T. Ono: Appl. Phys. Lett. 100, 122402（2012）.
【8】Y. Shiota, T. Nozaki, F. Bonell, S. Murakami, T. Shinjo, and Y. Suzuki, Nature Mater. 11, 39（2012）.
【9】S. Kanai, M. Yamanouchi, S. Ikeda, Y. Nakatani, F. Matsukura, and H. Ohno, Appl. Phys. Lett. 101, 122403（2012）.