大阪大学大学院理学研究科物理学専攻の蒋男助教、新見康洋教授らの研究グループは、東邦大学理学部物理学科の大江純一郎教授、大阪公立大学大学院工学研究科電子物理系専攻の戸川欣彦教授と共同で、スピン流を用いた非局所スピンバルブ測定により、らせん磁性体Cr_1/3NbS₂のスピン位相と磁気ゆらぎを電気的に検出することに世界で初めて成功しました。

らせん磁性体は、磁気モーメントがらせん状に配列する特性を持つ新しいタイプの材料で、従来の強磁性体にはない非磁化という特徴から、高集積化が可能で、次世代の情報媒体として期待されます。Cr₁/₃NbS₂は、らせん型の磁気構造を有しており、このらせん磁性体の表面にスピン流を注入すると、主に表面の磁気状態とスピン流が相互作用します。この表面敏感な特性を活かし、らせん磁性体のスピン位相（らせん磁気構造の位相）を電気的に検出しました（図1）。さらに実験結果は、数値シミュレーション（マイクロマグネティックシミュレーション）でも再現されました。

これまで試料表面の磁気モーメントの向きであるらせん磁性体のスピン位相の検出には、表面敏感なX線磁気円二色性やスピン偏極走査型トンネル顕微鏡などの特殊環境を要する手法が必要であると考えられており、デバイス応用可能な電気的検出方法については解明されていませんでした。

今回、研究グループは、ファンデルワールス層状らせん磁性体Cr₁/₃NbS₂を非局所スピンバルブ素子に組み込むことにより、スピン流によるらせん磁性体のスピン位相の電気的検出に成功し、大型装置を用いずにスピン位相を読み取れることが示されました。

これにより電気的にナノスケール磁性の「位相」を扱えることが示され、将来的には強磁性体の磁化の代わりにらせん磁性体のスピン位相を情報自由度として活用する低消費電力デバイスへの発展や高集積化につながると期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「Physical Review B」にLetterとして、さらにEditors’ Suggestionとして、１１月６日（木）（日本時間）に公開されました。また、APS Physics MagazineにSynopsisとして掲載されました。

図1. （a）スピン位相の模式図。（b）らせん磁性体Cr_1/3NbS₂を組み込んだ非局所スピンバルブ素子の模式図。

これまで、スピントロニクスでは強磁性体の磁化の向きを情報媒体として利用してきましたが、強磁性体自身が出す漏れ磁場の影響で高集積化の障壁となっていました。らせん磁性体は磁気モーメントがらせん状に配列する磁性体で、全体として磁化を持たず高集積化に適しているため、強磁性体に変わる材料として注目を集めています。

そのようならせん磁性体にはヘリシティ（らせんの巻き方）とスピン位相（らせん磁気構造の位相：図1(a)参照）の２つの内部自由度があり、これらをうまく扱えば新しい情報媒体として活用できる可能性があります。特に、試料表面の磁気モーメントの向きに対応するスピン位相の検出については、表面敏感なX線磁気円二色性やスピン偏極走査型トンネル顕微鏡などの特殊環境を要する手法が必要であると考えられており、デバイス応用可能な電気的検出方法については解明されていませんでした。通常のホール効果の測定では平均の磁化を見てしまうため、スピン位相の直接検出には他の手法を考える必要がありました。

研究グループでは、非局所スピンバルブ素子にらせん磁性体Cr_1/3NbS₂を組み込むことで（図1(b)参照）、スピン流によるらせん磁性体のスピン位相の検出に成功しました。

まず非局所スピンバルブ素子を用いた実験により、らせん磁性体Cr_1/3NbS₂のスピン拡散長（スピン流が流れる距離）は約5nmであることが分かりました。これはらせん１周期の長さ（約48nm）の1/10程度なので、スピン流は主に試料表面の磁気情報を拾うことがわかりました。そこでらせん磁性体におけるスピン流の電気信号を測定したところ、試料表面の磁化の向き、すなわちスピン位相に対応した磁場依存性が得られました（図２）。

図2. らせん磁性体Cr_1/3NbS₂を用いて得られた非局所スピンバルブ信号と、各磁場におけるらせん磁性体の磁気構造。試料表面（上面）の磁化の向きに対応したスピン信号となっている。

このスピン位相の磁場依存性はマイクロマグネティックシミュレーションでも再現でき、スピン流によるスピン位相の電気的検出を裏付けることができました。

本研究成果により、大型装置に頼らずにらせん磁性体のスピン位相の電気的検出が可能となりました。スピン位相は強磁性体の磁化の代わりになりうる新しい情報媒体であり、らせん磁性体のスピン位相を用いた高集積化可能な低消費電力デバイスへの発展が期待されます。

本研究成果は、2025年１１月６日（木）（日本時間）に米国科学誌「Physical Review B」（オンライン）にLetterとして、さらにEditors’ Suggestionとして掲載されました。また、APS Physics MagazineにSynopsisとして掲載されました。

タイトル：“Spin phase detection by spin current in a chiral helimagnet”
著者名：Nan Jiang, Shota Suzuki, Issei Sasaki, Kazuki Yamada, Ryoma Kawahara, Shintaro Takada, Yusuke Shimamoto, Hiroki Shoji, Yusuke Kousaka, Jun-ichiro Ohe, Yoshihiko Togawa, and Yasuhiro Niimi
ＤＯＩ：https://doi.org/10.1103/mfrs-6whs

なお、本研究は、科学研究費（JP22H04481, JP23H00257, JP23K13062, JP23H00091, JP23H01870）、JST創発的研究支援事業(JPMJFR2134)からの支援の下、行われました。

蒋男助教　研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/b4eb940ac8be8d8c.html