異なる性質を持つ材料を接合させると，その接合界面では，単独の材料には表れない全く新しい効果が表れることがあります．このような接合界面での新しい効果は，ナノサイズや原子レベルでの材料の特性を決める重要な効果であり，現在の半導体デバイス，磁気デバイスなどの電子デバイスには無くてはならないものとなっています．接合界面での特性は，異なる元素が接合界面で手をつなぐこと（結合）によって生まれますが，異なる元素の結合が，どうして新しい効果を生み出すかについては分からないことが多く，電子デバイスに用いられる材料設計も手探りのところが多いのが現状であり，磁性薄膜分野での中心トピックスの一つであり続けています．

交換磁気異方性がどうして現れるのか，その鍵を握っているのは接合界面にある反強磁性スピンであると考えられてきました．しかしながら，反強磁性体は外部に磁束を出さないため，その微小な信号を検出することが非常に困難でした．研究グループでは，反強磁性スピンからの微小信号を検出できる方法として，放射光を利用したX線磁気円二色性（X-ray Magnetic Circular Dichroism: XMCD）という方法を用いました．この方法は，反強磁性スピンからの微小信号を強磁性体からの強い信号から選択的に分離して検出することが可能であることが大きな特徴です．XMCDは，過去にも強磁性体／反強磁性体の研究に用いられてきましたが，交換磁気異方性を担う反強磁性スピンに関する最大の謎である「交換磁気異方性が作用する場合に，反強磁性スピンは動くのか動かないのか」についての解答は得られていません．この原因は，これまでの多くの研究で対象とされてきたMn系の反強磁性体では，反強磁性スピンの方向が最少でも6つの方向を向くことができるため，反強磁性スピンの方向を特定できないことにあります（図1(a)）．研究グループでは，反強磁性スピンの方向を上向き・下向きの2つの方向に限定できる強磁性Co/反強磁性Cr2O3薄膜に着目して，SPring-8の軟X線固体分光ビームライン（BL25SU）においてXMCD実験を行いました（図1(b)）．その結果，反強磁性を担うCrスピンは，全く動かないわけではなく，少し傾くだけで完全にひっくり返ることはないことを明らかにしました（図2）．詳しい説明は省略しますが，この研究分野の専門用語を使うと，この成果は非補償反強磁性スピンをこれまでにない強度で検出し，この非補償反強磁性スピンが完全な固着ではなく，わずかに傾くことが可能であることを明らかにしたことに対応しています．

今回の研究によって，交換磁気異方性が作用した系での反強磁性スピンの挙動が明確になりました．これは，交換磁気異方性が発見された1956年以来論争されてきた宿題に明確な解答を与える結果です．今回の研究で明らかにした反強磁性スピンの性質は，反強磁性体の中に「ねじれたスピン構造」が生じることを証明したことに対応します．この構造は，交換磁気異方性の発現には必須とされてきましたが，これまで，その存在を直接的に観測した例はありませんでした．このねじれたスピン構造を反強磁性体の中に効果的に発生させることで，より高い交換磁気異方性を発生させることができ，交換磁気異方性の大きさとねじれたスピン構造の幅はデバイスに搭載できる反強磁性体をどこまで薄くできるかを決める重要なパラメータになります．交換磁気異方性は，これからも磁気メモリなどのスピンエレクトロニクスデバイス開発に大きな役割を担うものと思われます．つまり，この結果は，次世代スピンエレクトロニクスデバイスに向けた高い交換磁気異方性を発生させるための指針として利用することができ，これまで手探り状態で続いてきた材料開発の活用指針となることが期待できます．

今回の研究成果は，大阪大学の白土優講師，中谷亮一教授，荒河一渡准教授（現島根大学），森博太郎教授，JASRIの中村哲也主幹研究員，鈴木基寛主幹研究員，木下豊彦主席研究員らの共同研究による成果で，日本学術振興会　科学研究費補助金の研究費支援を受けて実施されました．

図1：これまで用いられてきた反強磁性体（Mn系合金．例えばMn3Ir）と今回の研究で用いた反強磁性体の反強磁性スピン方向の違い．
(a)に示したこれまでの反強磁性体では，反強磁性スピンの方向が多数（最少で6方向）あるため，個々の反強磁性スピン方向を特定することが困難だったが，(b)に示した今回の研究で用いた反強磁性体では，反強磁性スピン方向を上向き，下向きの2方向に限定できるため，反強磁性スピン方向を決定することが可能になった．

図2：強磁性体と反強磁性体の接合界面にある反強磁性スピンは，これまで(a)動くのか，(b)動かないのかが最大の謎とされてきた．この謎を解明するには，反強磁性スピンの方向を高精度に決定する必要があり，図1(b)に示した反強磁性体を用いて，反強磁性スピンの方向を限定することで，(c)に示したように，反強磁性スピンは傾くがひっくり返らない，とする新しい結論を得た．接合界面の反強磁性スピンが傾く事で，反強磁性体にねじれたスピン構造が生じる．このねじれたスピン構造が，反強磁性体と強磁性体の接合界面での交換磁気異方性の鍵を握っており，今後のスピンエレクトロニクスデバイスでは，「スピンのねじれ」を効果的に発生出来る反強磁性体を開発することで，高い交換磁気異方性を生み出すことができる．

題名：Detection and in-situ switching of un-reversed interfacial antiferromagnetic spins in a perpendicular exchange-biased system
日本語訳：垂直交換バイアス系における反転しない界面反強磁性スピンの検出とその場反転

著者：白土優 ¹ ，納富隼人 ¹ ，及川博人 ¹ ，中村哲也 ² ，鈴木基寛 ² ，藤田敏章 ¹ ，荒河一渡 ³ ，武智雄一郎 ¹ ，森博太郎 ³ ，木下豊彦 ¹ ，山本雅彦 ¹ ，中谷亮一 ¹

著者所属：
1　大阪大学大学院工学研究科
2　高輝度光科学研究センター
3　大阪大学超高圧電子顕微鏡センター

掲載雑誌：Physical Review Letters, Vol. 109 (2012).
掲載日時：平成24年8月8日オンライン掲載予定