大阪大学白土優准教授，高輝度光科学研究センター（以下，JASRI）中村哲也主席研究員らの研究チームは，反強磁性体と呼ばれる磁石につかない材料のスピン（原子レベルでのN極・S極の向き）が電圧によって動く過程を可視化することに成功しました．反強磁性体はハードディスクドライブの情報読み出し用素子や自動車の角速度（旋回速度）センサー，磁気ランダムアクセスメモリなどのスピンエレクトロニクス デバイスなどに利用されていますが，これらのデバイスでは反強磁性体のスピンは止まったままで，その動きを利用することは出来ていません．研究グループでは，電気磁気効果 という特殊な効果を使うことで反強磁性体であるクロム酸化物（Cr ₂ O ₃ ）にスピンの不均衡（磁化）を作り出し，磁壁 と呼ばれる磁化の境界領域を動かせることを実証し，大型放射光施設SPring-8 BL25SUにおける走査型軟X線磁気円二色性 顕微鏡を用いて，その動き方を可視化することに成功しました．反強磁性体の磁壁の動きは，デバイスの高速動作に係る重要なパラメータになります．また，今回の成果は反強磁性体の磁壁の動きを電圧（電界）によって制御したものであり，電流を使わないことからデバイスの低消費電力化にもつながります．つまり，この成果を上手く利用することで，反強磁性体のスピンの動きを利用した未来の電子デバイスの設計に役立つことが期待されます．本成果は，平成30年12月13日（日本時間）米国物理系雑誌Applied Physics Lettersおよび米国物理系雑誌APL Materialsにオンライン掲載されました．

磁性材料は，強磁性体と反強磁性体に大きく分類できます．強磁性体は鉄やコバルトのように磁石につく材料ですが，反強磁性体は原子サイズでスピン（N極とS極）が打ち消しあうように並んでいるため，通常は磁石にはつきません （図1） ．このため，強磁性体のように磁石を使って反強磁性体の磁化やスピンを制御することは出来ません．しかしながら，反強磁性体のスピンの動きを利用することが出来れば，磁気デバイスの動作速度は現在よりも格段に高速化できると期待されています．

反強磁性体のスピンの動作速度は，強磁性体の磁化の動作速度より100倍から1000倍速く動くことが予測されています．しかしながら，反強磁性体は外部に磁束を出さないため，そのスピンをデバイス中で動かすことは非常に困難でした．研究グループでは，反強磁性体のスピンを動かす方法として，電気磁気効果という特殊な効果を利用しました．通常は，磁石のように磁界をかけると磁化・スピンの向きが磁界の方向に並びますが，電気磁気効果は電界（電圧）をかけることにより上下のスピンの大きさが変化することで磁化が発生する効果で，クロム酸化物（Cr ₂ O ₃ ）などの一部の材料で現れます．クロム酸化物の電気磁気効果は，1950年代中ごろに発見されましたが，「スピンがどのように動いているのか，どれくらいの速さで動くのか」は未知の課題でした．その原因は，反強磁性体の微小な信号を検出することが出来なかったためです．研究グループでは，交換磁気異方性 と呼ばれる効果を利用することで，反強磁性体の弱い信号を強い信号の出る強磁性体に転写する技術を開発し，SPring-8の軟X線固体分光ビームラインに設置されている走査型軟X線磁気円二色性顕微鏡を用いて，反強磁性クロム酸化物に発生した磁化の動きを可視化しました．その結果，クロム酸化物の磁化は，反転過程で磁区と呼ばれる分域構造に分かれ，その境界領域である磁壁の移動が起こること，また，その移動が自動車と同じように，電圧の低いところではクリープのように動き，電圧によって加速できる（電圧が自動車のアクセルのような機能をする）ことを明らかにしました （図2） ．また，明らかにした反強磁性体の磁壁の動きが，従来の電流を使った手法ではなく電圧（電界）によって実現できたことから，デバイスの低消費電力化も期待できます．

今回の研究によって，反強磁性体の磁化がどのように反転し，どれくらいの速度で反転できるかが明らかになりました．この結果により，これまで静止状態で利用されてきた反強磁性体の磁化（スピン）の動きをデバイスに利用出来ることが証明されました．今回の研究で明らかにした反強磁性スピンの性質は，電気磁気効果を利用することで通常の強磁性体と同様の制御ができることに対応します．電気的な計測によって反強磁性スピンの動きは予測されてきましたが，これまで，この動きを直接的に観測した例はありませんでした．磁性体における磁壁やスピンの移動速度は，デバイスの動作速度を決める重要なパラメータになります．つまり，この結果は，Society5.0やIoT社会で重要とされている，非常に高速かつ消費電力の低いスピンエレクトロニクスデバイスの指針として利用することができ，その原理となる反強磁性スピン制御手法の指針となることが期待できます．

本成果は，平成30年12月13日（日本時間）米国物理系雑誌Applied Physics Lettersおよび米国物理系雑誌APL Materialsにオンライン掲載されました．

題名：Observation of the magnetoelectric reversal process of the antiferromagnetic domain
日本語訳：反強磁性ドメインの電気磁気効果による反転過程の観察
著者：白土優 ¹ ，渡邉駿介 ¹ ，吉田大哲 ¹ ，岸田憲明 ¹ ，中谷亮一 ¹ ，小谷佳範 ² ，豊木研太郎 ² ，中村哲也 ²
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
掲載雑誌：Applied Physics Letters, Vol.113 (2018).
掲載日時：平成30年12月13日（日本時間）オンライン掲載

題名：Antiferromagnetic domain wall creep driven by magnetoelectric effect
日本語訳：電気磁気効果によって駆動された反強磁性磁壁クリープ
著者：白土優 ¹ ，吉田大哲 ¹ ，Thi Van Anh Nguyen ¹ ，小谷佳範 ² ，豊木研太郎 ² ，中村哲也 ² ，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
掲載雑誌：APL Materials, Vol. 6 (2018). [Open access]
掲載日時：平成30年12月13日（日本時間）オンライン掲載

また、今回の研究成果は，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　強磁性体と反強磁性体のスピンの並び方の違い．(a)に示した強磁性体ではミクロにはスピンが同じ方向に並んでいるが，(b)に示した反強磁性体では個々のスピン（N極・S極の向き）が反対方向に向いているため相殺される．Cr ₂ O ₃ では，(c)に示したようにコランダム構造（鋼玉）と呼ばれる構造内で，スピンは反対方向に並んでいる．電圧をかけると，酸素（オレンジの○）とクロム（青の○）が反対方向に移動することで，上向きスピン（赤の矢印）と下向きスピン（青の矢印）の大きさに違いが生じ，その結果，磁化が生じる（電気磁気効果の発現）．

図2　反強磁性Cr ₂ O ₃ の磁区構造を強磁性層（白金／コバルトの2層構造）に転写させた結果．赤の領域は反強磁性体の磁化（スピン）が上向きの領域，青の領域は反強磁性体の磁化（スピン）が下向きの領域に対応する．一定の磁界の元で電界を加えることで，反強磁性体が青と赤の分域構造に分かれていること，また，加える電界を短時間のパルス的にすることで，青野領域が少しずつ広がっていることが分かる．電圧を加えている時間と反強磁性磁壁（青と赤の境界領域）の移動距離を使って，反強磁性磁壁の移動速度を計算することが出来る．