文部科学省と国立大学附置研究所・センター
個別定例ランチミーティング

第25回

京都大学 化学研究所（2022.12.02)

12:05-12:10(5分）：研究所・センターの概要
12:10−12:25(15分） ：反強磁性体を用いたスピントロニクスの開拓
森山貴広
12:25−12:45(20分） ：質疑応答

(())

2930

23%

3940
3530
25
20
1510
50

29

30

35

33.7

36.8

36.1

36.9

22.2

20.1

19.6

20.7

20.8

20.9

17.2

16.9

18.2

17.9

18.4

17.7

16.7

18.2

18.1

II2022 2027

CSRN

―

23.6%

―

―

―

100(nm)Hu et al., Energy Environ Sci, 2022―

Nakagawa et al., Nat Phys, 2022
―Narita et al., Nat Nanotechnol, 2022――

Fujiwara et al., Carbon, 2022

4()

Talent-SpotJSPS

R

TIC
4()

自己紹介：もりやま たかひろ
• 東北大学 工学部材料物性: 学士・修士• University of Delaware （米国） 物理: Ph.D.
• Cornell University （米国）

物理: PostDoc associate• TDK-Headway Inc. （米国） 磁気メモリ開発: Senior Engineer• 京都大学 化学研究所：准教授（小野輝男研究室） （現在）

★ 専門：磁性材料・磁気物理・スピントロニクス

9アウトライン• スピントロニクスにおける反強磁性体• 反強磁性体におけるスピントロニクス動作原理の開拓

Collaborations &Acknowledgements

Radboud Univ.
(Netherlands)

三重大学
福井大学

Univ. of Messina(Italy)

東北大学

SPring-8:BL17

岐阜大学

UCLA(USA)

Cornell Univ.
(USA)Funding sources
Center for Spintronics Research Network
JSPS KAKENHI Gant Nos. 21H04562, 19K21972, and 18H01859. JST-PRESTO Grant No. JPMJPR20B9, Japan.
Center for Spintronics Research Network (CSRN). The Mazda Foundation, the Kyoto University Foundation, ISHIZUE 2020 ofKyoto University Research Development Program, and the Collaborative Research Program of Institute for Chemical Research,
Kyoto University.

スピントロニクス応用
ハードディスクドライブ

http://www.s-graphics.co.jp/nanoelectronics/kaitai/harddisk/3.htm

磁気ランダムアクセスメモリ

West Florida components

ほとんどの場合、強磁性体（磁石）が用いられている。
磁気モーメント（スピン）の方向で情報を記録する。

12反強磁性体？
ハイゼンベルグ模型

𝐸𝑖𝑗 = −2 𝐽 𝑺𝒊 ∙ 𝑺𝒋
強磁性体 (𝐽 > 0)

反強磁性体(𝐽 < 0)

スピンが同じ方向にそろっている

スピンが反平行（補償するように）に揃っている

全体として磁気モーメントを持つ全体として磁気モーメントを持たない
M＝0

M≠0

反強磁性体にはどういう特徴があるか？

13反強磁性体スピントロニクス
磁気感受率（磁化率）

共鳴周波数

強磁性体

~ 103 *

数十 GHz反強磁性体~ 10-2 **

数 THz

磁化M≠0

* Typical value of Fe** Typical value of MnF2

M=0

磁気感受率が小さい

THz ダイナミクス

超高密度磁気メモリ
磁気擾乱に強いメモリ

超高速磁化反転
THz発振素子

記録ビットの超高密度化

従来の強磁性体メモリ
ビット漏れ磁界によりビット間干渉が問題

THz応用可能性

反強磁性体メモリ
磁気感受率が小さく、漏れ磁界も無い為100倍程度の高密度配置が可能
14T. Moriyama and S. Mizukami, "The 2021 Magnonics Roadmap: 15. Antiferromagnetic magnonics.", J. Phys. Condens. Matter 33, 413001 (2021).

Message from Dr. Louis Néel

“Antiferromagnets are extremely interesting fromthe theoretical viewpoint, but do not seem tohave any applications.”．．．

Dr. Louis Néel
1970 Nobel prize(antiferromagnetism)

Big issues are:
1. Magnetic field cannot easily control the magnetic moments.
2. Invisible nature of magnetic moments; there is no net magnetization.

スピントロニクスの基本動作原理：
磁気モーメントの操作・検出・ スピントルク効果

スピントロニクス素子の主要動作原理

電子のスピンの流れ（スピン流）を利用した磁気モーメントの反転。電子スピンが磁気モーメントにトルクを与える。

Resistance・ 磁気抵抗効果

Low

磁気モーメントの方向に依存して変わる
電気抵抗High

スピン流

強磁性体

二つの効果は反強磁性体でも有効か？
スピン流16磁気抵抗効果の実証
反強磁性―強磁性転移を利用した磁化操作

Sudden resistance change fromhigh (AFM) to low resistance (FM)with increasing current.

AFM

FM

Current induced phase transition.
(driven by Joule heating)Matsuzaki, T.M., JJAP 54, 073002 (2015).

磁気抵抗効果の実証
磁場による操作、抵抗による読み出し
IHi IHiHy H xSequential operation
is successful !

IHi is below threshold.

反強磁性体の磁化方向に応じた磁気抵抗効果を観測
T. Moriyama, et al., APL 107, 122403 (2015), Matsuzaki, T.M., et al., JJAP 54, 073002 (2015).

18

スピントルク効果を用いた反強磁性体メモリの動作原理を実証
Ptのスピンホール効果を利用したスピン流注入
Writing scheme

Can rotate Neel vector without a cost ofincreasing exchange energy.
Can apply to various AFM structures.

電流のみ（スピントルク・磁気抵抗）によって反強磁性磁気メモリの実現が可能
T. Moriyama, et al., PRL 121, 167202 (2018); T. Moriyama, et al. Sci. Rep. 8, 14167 (2018)

メモリ書き込み・読み出し操作
電流方向“0”, “1”の書き込みによって抵抗値（ホール抵抗）の大小が変化する。
T. Moriyama, et al., PRL 121, 167202 (2018); T. Moriyama, et al. Sci. Rep. 8, 14167 (2018)20

反強磁性メモリチップのデモ

Picture of the PCB
with the chip
containing the AFbit cell and theinput write-pulse
signals (red dots)
and output readout
signals (blue dots)
sent via a USB
computer interface.

Demonstrated by Jungwirth’ group (Czech); see also Olejnik, et al., Nat. Commun. 8, 15434 (2017)

まとめ
反強磁性体を用いたスピントロニクスの開拓• スピントロニクスにおける反強磁性体→ 漏れ磁場が無い、磁気擾乱に強い、超高速（THz）• 反強磁性体におけるスピントロニクス動作原理→ 磁化状態に応じた抵抗の変化、電子スピンを用いた磁化状態の制御

役に立たないと思われていた反強磁性体を表舞台に
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