大阪大学大学院基礎工学研究科の山田晋也准教授、宇佐見喬政助教(研究当時)(現：先導的学際研究機構講師)、浜屋宏平教授、京都工芸繊維大学電気電子工学系の三浦良雄教授、慶應義塾大学理工学部の能崎幸雄教授、名古屋大学大学院理学研究科の谷山智康教授らの共同研究グループは、高性能スピントロニクス磁石材料(ハーフメタル材料)であるコバルト(Co）基ホイスラー合金磁石(Co₂FeSi)と表面弾性波材料として有名な圧電体ニオブ酸リチウム(LiNbO₃)からなる界面マルチフェロイク構造を作製することに成功し、ジュール発熱のない情報担体として応用が期待されている「スピン波(マグノン)」を利用した全電界制御型マグノニクスデバイスの実現の鍵となる技術を開発しました。ハーフメタル材料はスピン波の長距離伝搬が示唆される低磁気摩擦特性(低ダンピング定数)を示すため、従来よりも高性能なマグノニクスデバイスを実現できる磁化ダイナミクス（磁化の歳差運動）の電界変調を達成しました(図1)。

磁性体（磁石）中の磁化の歳差運動が波として伝搬するスピン波は、ジュール熱を伴わない超低消費電力情報担体として注目されており、「マグノニクス」と呼ばれる新たな研究分野に発展しています。その一方、これまでスピン波の励起(生成)および制御(ON/OFF)には、通常、アンテナ構造を用いた交流磁場の印加手法が利用されており、真の超低消費電力マグノニクスデバイスを実現するには、スピン波の励起および制御を全て「電圧印加」で実現する必要がありました。

本研究では、磁性体としてハーフメタル材料で知られるCo基ホイスラー合金磁石の一種であるCo₂FeSiと、表面弾性波材料で有名な圧電体ニオブ酸リチウム（LiNbO₃)からなるエピタキシャル界面マルチフェロイク構造を実証することに成功し(図1左)、スピン波の長距離伝搬が示唆される低ダンピング定数の領域(0.004～0.006)で磁化ダイナミクスを電界で変調することに成功しました(図1右)。これは、磁性体中のスピン波の伝搬距離を電界で制御するための基盤技術の構築を意味します(図2)。

今後、本成果と表面弾性波を利用したスピン波生成技術を融合することで、電界印加のみで動作する真の超低消費電力マグノニクスデバイスの開発に発展する可能性があります。

近年、IoT技術・AI技術がますます進展する中、半導体素子の発熱量の増加とそれに伴う消費電力の爆発的な増加が社会問題となっています。本成果は、ジュール熱を伴わない超低消費電力情報担体のスピン波(マグノン)を、省電力で制御するための基盤技術を提供するものです。今後、本成果をデバイス開発へと展開することにより、スピン波(マグノン)を活用した新しい情報処理素子、すなわち「マグノニクスデバイス」の実現に向けて、大きな波及効果が期待されます。

本研究成果に関する情報は、Wiley発行の「Advanced Science」（オンライン:2025年9月18日：日本時間）に掲載されました。

図1. 本研究で実証したハーフメタル材料/圧電体界面マルチフェロイク構造(左)と磁化ダイナミクスの電界変調の概念図(右)。電界の制御(ON/OFF)で圧電体の結晶の歪みが磁性体中に伝搬することで、磁性体中の磁化ダイナミクス(磁化の歳差運動)が変調される。

近年、IoT技術やAI技術の急速な発展に伴い、半導体デバイスの発熱量の増加やそれに起因する様々な電力消費量の急増が深刻な社会問題となっています。このような背景のもと、ジュール発熱のない情報担体を用いた新しいデバイスの開発が求められています。中でも近年注目されているのが、スピン波(マグノン)を情報担体として用いたデバイスです。スピン波は、磁性体中で磁化の歳差運動が波として伝播する現象であり、その伝搬にジュール熱を伴わないことから、低消費電力な情報担体として期待されるばかりでなく、次世代の情報処理技術への応用も期待されています。このスピン波を情報担体として用いた次世代デバイス開発を目指す研究分野は「マグノニクス」と呼ばれ、現在急速に発展しています。マグノニクスデバイスの実現には、スピン波の制御技術の確立が不可欠です。従来は、外部から交流磁場を印加することでスピン波の励起および制御をする手法が一般的でしたが、この方法は電流印加でスピン波を制御するため、エネルギー効率が低く、高集積化にも不向きであることから、実用性の観点から課題が残ります。したがって、真の超低消費電力マグノニクスデバイスの実現には、スピン波の励起(生成)および制御(ON/OFF)を全て電圧印加で実現することが極めて重要であり、その基盤技術を構築する必要があります。

本共同研究グループは、図1右に示すような磁性体(磁石)と圧電体から構成される界面マルチフェロイク構造を利用した方式に着目しました。この構造では、圧電歪みを磁性体に伝播させることで、磁性体の磁気物性を電圧で制御させることができ、これまでの同グループの研究により、磁気伝導現象や磁気異方性(磁石が特定の方向に向く性質)を電圧で制御できることが示されています。

本共同研究グループは、スピン波の励起および制御を全て電圧印加で実現するために、表面弾性波材料で有名な圧電体ニオブ酸リチウム(LiNbO₃)とハーフメタル材料で有名なCo基ホイスラー合金磁石の一種であるCo₂FeSiからなる界面マルチフェロイク構造を着想しました。LiNbO₃は通信端末に搭載される表面弾性波デバイスの基板として採用されていますが、近年、表面弾性波を利用したスピン波生成技術が報告されたことで、スピントロニクス分野でも広く用いられている材料です。Co₂FeSi磁石は、ハーフメタル特性ばかりでなく、低い磁気ダンピング定数や高いキュリー温度など、スピントロニクス分野で有望な物性を示す高性能磁石材料です。しかし、LiNbO₃(三方晶構造)とCo₂FeSi(立方晶構造)は結晶構造が大きく異なり、表面の原子配列も整合していないため、LiNbO₃上にCo₂FeSi磁石を高品質に作製する(エピタキシャル成長する)ことは極めて困難でした。

今回、本共同研究グループは、Co₂FeSi磁石とLiNbO₃の間にクロム(Cr)などの非磁性金属を挿入することで、エピタキシャルCo₂FeSi/LiNbO₃界面マルチフェロイク構造の作製に成功し(図1左)、そのCo₂FeSiがスピン波の長距離伝搬が示唆される低ダンピング定数(～0.006)を示すことを明らかにしました。さらに、この界面マルチフェロイク構造に電界を印加することで、磁気ダンピング定数が大きく減少(電界印加前：～0.006→電界印加後：～0.004)することを明らかにしました(図1右)。これは、スピン波の長距離伝搬が示唆される低ダンピング定数の領域で、磁化ダイナミクスを電圧で制御できることを実証した成果です。

本研究成果は、ジュール熱を伴わない情報担体として注目されるスピン波を、省電力で制御するための基盤技術を提供するものです(図2)。これは、半導体デバイスのような電荷の移動によりジュール発熱を伴う従来の集積デバイスの課題を克服する新たな低消費電力デバイスの実現につながります。今後、スピン波を活用した新しい情報処理デバイス、すなわち「マグノニクスデバイス」が実現し、新たな低消費電力情報処理システムへと波及することが期待されます。

図2. 本研究成果の展望の概念図。本研究成果は磁性体中を伝搬するスピン波(マグノン)を電圧で制御するための基盤技術の構築であり、表面弾性波でスピン波を電圧で生成する技術と融合することで、真の超低消費電力マグノニクスデバイスの実証につながる。

本研究成果に関する情報は、Wiley発行の「Advanced Science」に掲載（オンライン:２０２５年９月１８日：日本時間）されました。

タイトル：Electric-Field Control of Low Damping Constant in Epitaxial Co₂FeSi/LiNbO₃ Multiferroic Heterostructures
著者名：Shinya Yamada, Takamasa Usami, Sachio Komori, Yoshio Miura, Kazuto Yamanoi, Yukio Nozaki, Tomoyasu Taniyama, Kohei Hamaya
DOI : https://doi.org/10.1002/advs.202511250
雑誌 : Advanced Science

本研究は、以下の支援を受けて行われました。
・科学技術振興機構 (JST) 戦略的創造研究推進事業 CREST
研究領域
「実験と理論・計算・データ科学を融合した材料開発の革新」
（研究総括：細野秀雄　東京科学大学 栄誉教授／元素戦略MDX研究センター特命教授）
研究課題「界面マルチフェロイク材料の創製」
[グラント番号 JPMJCR18J1]
（研究代表者：谷山智康 名古屋大学大学院理学研究科 教授）
研究課題「ナノ構造制御と計算科学を融合した傾斜材料開発とスピンデバイス応用」
[グラント番号 JPMJCR19J4]
（研究代表者：能崎幸雄 慶應義塾大学理工学部 教授）
・科学技術振興機構 (JST) 知財活用支援事業 (令和5年度スーパーハイウェイ)
研究課題「電界制御型マグノントランジスタの開発」
（研究代表者：山田晋也 大阪大学大学院基礎工学研究科 准教授）

山田 晋也 准教授　大阪大学　研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/64485a288afe36be.html

浜屋 宏平 教授　大阪大学　研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/0dd095b8b5e7f0cc.html

能崎 幸雄 教授　慶應義塾大学　慶應義塾研究者情報データベース
https://www.k-ris.keio.ac.jp/html/100011603_ja.html

谷山 智康 教授　名古屋大学 研究者総覧
https://profs.provost.nagoya-u.ac.jp/html/100010074_ja.html

三浦 良雄 教授　京都工芸繊維大学　研究者紹介ハンドブック
https://www.liaison.kit.ac.jp/researchers_db/introduction/elec_eng_elec/%E4%B8%89%E6%B5%A6%E3%80%80%E8%89%AF%E9%9B%84-2