研究 紹介
丸文学術賞 受賞者

強磁性細線における単一磁壁のダイナミクス― 電流で磁化状態を制御する ―小野 輝男
京都大学 化学研究所 教授

金属人工格子における巨大磁気抵抗効果の発見は、電気伝導への電子スピンの重要性を認識させ、電子の二つの自由度である電荷とスピンの両方を利用するスピントロニクスと呼ばれる分野へと発展してきました。私は、この分野の創成期である巨大磁気抵抗効果研究に微細加工技術を導入して以来、三次元的に構造制御されたナノ磁性体の作製とその新規物性探索を中心課題として研究してきました。本稿では、磁場ではなく電流で磁化状態を制御した研究をご紹介します。

１．
はじめに

2．
研究の成果ことを示すために、磁壁の極性を変えた実験を行いました。つまり、S極とS極がぶつか19世紀初頭にエルステッドが導線を流れ幅240nm、厚さ10nmの強磁性細線ったtail-to-tail磁壁で同じ実験を行いまし

る電流によって方位磁針の向きが変わるのを微細加工によって作製し（Ni81Fe19合金）た。電流誘導磁場が磁壁を動かしているなを発見して以来、磁石の磁化の向きは電流ました。磁壁を細線内に導入した後の磁気らば、極性の異なる磁壁の移動方向は逆にによって作られる磁場で制御されてきました。

力顕微鏡観察結果を図1（a）に示します。

なるはずです。
しかし、tail-to-tail磁壁の移コンピューターや最近のビデオに備わってい白破線で囲まれた領域が強磁性細線です。

動方向はhead-to-headの場合と同じであるハードディスクドライブは磁化方向で情報

磁気力顕微鏡は試料から漏れる磁場を検ることがわかり、誘導磁場による磁壁移動を蓄えていますが、ここでの情報の書込みも知する顕微鏡であり、図1（a）の中の明るいの可能性を否定することができました。

磁場で行われています。現在のデバイスでコントラストが磁壁です。この実験では、明

図2は、電流パルスを短くして（6×10 11は、磁化状態を制御するために磁場を発生

るいコントラストはN極からの漏れ磁場を示

A/m2、0.5μs）磁壁の移動を連続観察したさせる部分が必要です。

し、暗いコントラストはS極からの漏れ磁場を結果です。磁壁は1パルスごとに電流と逆私たちのグループでは、磁化の境目であ示しています。したがって、図1（a）の状態方向にほぼ同じ距離動いています。
したがる磁壁といわれる部分を【1】、磁場ではなくの磁化状態は図1（d）に示されるように、Nって、パルス電流の方向、強さ、パルス長を電流によって動かすことに成功しました【2・3】。

極とN極がぶつかった構造（head-to-head）

調整することで磁壁を任意の位置に動かすであることがわかります。図1（a）

ことができます。またこの実験結果からパルの観察の後、パルス電流（6ス電流が流れている間の磁壁の移動速度A/m 、5μs）を図の左が約3m/sであることがわかります。パルス電から右へ流した後の磁気力顕流の電流密度を増やすと磁壁の移動速度

微鏡観察像が図1（b）です。

も大きくなるということもわかりました。

×10

図1 磁気力顕微鏡による観察結果（a）白破線で囲まれた領域が強磁性細線：明るく見える部分が磁壁。
（b）パルス電流を流した後に磁壁は電流と逆方向（電子の移動方向）に動いた。
（c）電流の方向を逆転すると磁壁も逆方向へ動いた。
（d）磁化状態の概念図：N極とN極がぶつかった磁壁ができている。

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磁壁は電流と逆方向（つまりどうして電流を流すだけで磁壁が動いた電子の移動方向）へと移動しのでしょうか？ 強磁性体の中では電気伝導ました。次に、逆方向のパルを担う伝導電子のスピンの向きが揃っていス電流を流すと磁壁も逆方向る、というところに秘密があります。このことに動き、図1（c）に示される位を概念的に示したのが図3です。図3（a）の置に磁壁が移動しました。こ

矢印が強磁性体の磁化を生む磁気モーメ

こで観察された電流による磁ントです。磁気モーメントは図3（a）の左側

壁移動がパルス電流の作りでは右向きに、図3（a）の右側では左向きに出す磁場による効果ではない揃っていますが、その間で連続的に方向を変えています。この磁気モーメントの向きがです。結果として、磁壁中の磁気モーメント用できると考えられます。磁場を作り出すた徐々に変化している領域が磁壁です。電流は図3（c）のように回転し、磁壁が移動するめの導線は不要となり、単純なデバイス構を右から左に流すと伝導電子が左から右にことになります。

成が可能となるでしょう。動作原理が伝導3．
今後の展開に基づいているため、ナノ磁気デバイスの磁壁を横切って進みます（図3（b））。この際、小さな矢印で示される伝導電子のスピ電子と磁気モーメントとの直接の相互作用ンは、磁気モーメントに沿って回転し、スピン方向が変化してしまいます。このことは、伝駆動に向いていることも将来の応用への強磁性細線へ流すパルス電流の強さ・導電子のスピン角運動量が変化してしまっ長さ・極性を調整することで、磁壁の位置をたことを意味します。このスピン角運動量の自由に制御することができることがわかりま変化分は何処へ行ってしまったのでしょうか？

した。したがって、本稿で紹介した現象は、角運動量保存則から、伝導電子のスピン角磁気ランダムアクセスメモリへの情報書き運動量の変化分は相互作用の相手である込み、磁壁移動を利用した論理演算素子【4】磁壁の中の磁気モーメントへ移動したはずや磁気スイッチ【5】の無磁場動作などに応期待を膨らませます。

図3 スピントランスファー効果による磁壁の電流駆動の説明図（a）磁壁の概念図：矢印が磁気モーメントを表し、磁気モーメントが連続的に方向を変えている部分が磁壁である。
（b）電流を流すと伝導電子が磁壁を通過する。小さな矢印で示される伝導電子のスピンは、磁気モーメントに沿って回転し、スピン方向が変化する。
（c）伝導電子のスピン角運動量の変化分は磁気モーメントへ移動し、磁壁中の磁気モーメントは回転する。

R e f e r e n c e s（ 参 考 文 献 ）図2 パルス電流（6×1011 A/m2、0.5μs）ごとの磁気力顕微鏡観察結果。
磁壁は１パルスごとにほぼ同じ距離移動している。

【1】T. Ono, H. Miyajima, K. Shigeto, K. Mibu, N.
Hosoito and T. Shinjo, "Propagation of a Magnetic
Domain Wall in a Submicrometer Magnetic Wire",
Science 284（1999）468-470.
【2】A. Yamaguchi, T. Ono, S. Nasu, K. Miyake,
K. Mibu, T. Shinjo, "Real-space observation ofcurrent-driven domain wall motion in submicron
magnetic wires", Phys. Rev. Lett., 92（2004）
077205.
【3】A. Yamaguchi, S. Nasu, H. Tanigawa, T. Ono,K. Miyake, K. Mibu, and T. Shinjo, "Effect of Joule
heating in current-driven domain wall motion",
Appl. Phys. Lett., 86（2005）012511.
【4】D. A. Allwood, Gang Xiong, M. D. Cooke, C.
C. Faulkner, D. Atkinson, N. Vernier, R. P.
Cowburn, "Submicrometer Ferromagnetic NOT
Gate and Shift Register", Science, 296（2002）
2003.
【5】J. J. Versluijs, M. A. Bari, and J. M. D. Coey,"Magnetoresistance of Half-Metallic Oxide
Nanocontacts", Phys. Rev. Lett., 87（2001）
026601.