【発表のポイント】

• 鉄と白金からなる合金が、異常ホール効果（磁石に電流を流すと横方向に電圧が生じる現象）によって巨大なスピンの流れを創り出すことを発見。
• 異常ホール効果から創り出したスピンの流れを使って、磁石の極性をスイッチさせることに初めて成功。
• 今後、外部磁場を必要としないスピントロニクス素子における新しい情報書込技術としての進展が期待。

【概要】

スピンの流れ（スピン流（※1））を積極的に利用し、磁石の方向で情報を記憶するスピントロニクス素子は、半導体エレクトロニクスだけでは難しい機能性（例えば低消費電力化など）を実現できる次世代デバイスとして期待を集めています。しかしながら、スピントロニクス素子は、①電流とスピン流との変換効率をいかに向上させるか、さらに②どのようにスピン流を使って情報を磁石に書き込むのか、といった課題に直面しています。

今回、東北大学金属材料研究所の関剛斎准教授および高梨弘毅教授、同大学材料科学高等研究所の飯浜賢志助教らの研究グループは、スピン流を創り出す材料として鉄と白金からなる磁石の性質を持つ合金（鉄白金合金（※2））に着目し、上記2つの課題をクリアできることを実証しました。鉄白金合金の磁石の性質に由来した「異常ホール効果（※3）」を調べたところ、巨大なスピン流を創り出せることを発見しました。これは「スピン異常ホール効果（※4）」と呼ばれ、最近注目されるようになった現象です。これまでの報告よりも2倍近い効率で電流からスピン流へと変換できました。さらに、この鉄白金合金のスピン異常ホール効果によって創られたスピン流を、別の磁石である鉄ニッケル合金に流し込んだところ、鉄ニッケル合金磁石の向きをスイッチさせることに成功しました。これは、異常ホール効果により磁石に情報を書き込めることを意味します。

この成果により、従来スピントロニクス素子が用いてきた技術とは一線を画す情報書込方法の道が拓かれ、研究開発が今後加速するものと期待されます。

【専門用語解説（注釈や補足説明など）】

※1 スピン流
スピン角運動量の流れ。電子スピンは自転しており、（スピン）角運動量を持っている。この電子スピンを上向きスピンと下向きスピンに区別すると、上向きスピンの流れJ_↑と下向きスピンの流れJ_↓を用いて電流はJ_↑+ J_↓と表すことができる。一方で、スピン流はJ_↑- J_↓で表されます。J_↑とJ_↓が異なる強磁性体では電荷の流れを伴うスピン流が生じ、上向きスピンと下向きスピンが同数存在する非磁性体ではJ_↑とJ_↓が逆方向に流れることによりJ_↑- (- J_↓)の純スピン流を生成することができる。

※2鉄白金（FePt）合金
面心正方晶の結晶構造を持ち、Fe層とPt層が結晶のc軸方向に一原子層ずつ積層されたL1₀型規則合金。c軸方向に大きな一軸の磁気異方性を有するハード磁性材料。磁気異方性の大きさはネオジム磁石などの希土類永久磁石材料にも匹敵する。

※3 ホール効果と異常ホール効果
x、yおよびzから成る直交座標系において、導体物質のx方向に電流を流し、z方向に磁場を印加すると、y方向に電圧（ホール電圧）が生じる。これは電子のうけるローレンツ力に由来し、ホール効果と呼ばれる。磁化を持つ磁性体では、ホール電圧に磁化の寄与が加わる。これは異常ホール効果と呼ばれる。

※4 スピン異常ホール効果
異常ホール効果によって発生したホール電流がスピン分極している（上向きスピンと下向きスピンの数に偏りがある）というアイディアから、異常ホール効果を介して電流からスピン流へ変換できる現象。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

◆研究内容に関して
東北大学金属材料研究所
磁性材料学研究部門
関　剛斎
TEL：022-215-2097
Email：go-sai*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

◆報道に関して
東北大学金属材料研究所　情報企画室広報班
冨松　美沙
TEL：022-215-2144　FAX:022-215-2482
E-mail：pro-adm*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）