東京大学大学院理学系研究科・東京大学物性研究所 中辻 知 教授、肥後友也 特任准教授、東京大学物性研究所 Tsai Hanshen 特任研究員らの研究グループは、東京大学物性研究所 大谷義近 教授（理化学研究所 創発物性科学研究センター チームリーダー併任）、理化学研究所 創発物性科学研究センター 近藤浩太 上級研究員の研究グループ、東京大学物性研究所 三輪真嗣 准教授、坂本祥哉 助教の研究グループと共同で、次世代の情報処理デバイスの主要材料として注目を集めている反強磁性体（注１）であるマンガン化合物Mn₃Snと重金属からなる多層薄膜デバイスの膜界面構造の最適化を試み、電気的に読み書き可能な信号をこれまで報告されていた値よりも3倍大きくすることに成功しました。

図　Mn₃Sn/非磁性重金属（W）素子におけるスピン流での磁気八極子の反転と情報の書き込み・読み出し機構の概要図。
(a) Mn3Sn/W素子に電流を流すことで赤色と青色矢印に偏極したスピン流が生じます。このスピン流によりMn₃Snの反強磁性秩序（磁気八極子：紫矢印）および仮想磁場が向きを変えます。その結果、異常ホール電圧の符号の反転が起こります。(b) Mn₃Sn/W素子では、書き込み電流の方向によってMn₃Sn層の磁気八極子の方向を制御し、「0」と「1」の情報を記憶できます。(c) 上記のMn₃Sn層の磁気八極子の方向によって記憶した情報は、読み出し電流を流すことでホール電圧として読み出すことができます。

反強磁性体はスピン（注１）のダイナミクスがTHz帯と強磁性体（注１）の場合に比べて2～3桁速く、磁性体間の相互作用が小さいため、磁気抵抗メモリをはじめとする磁気デバイスをさらに高速化・高集積化できる可能性があります。Mn₃Snはトポロジカルな電子構造に由来する巨大な応答を示す反強磁性体であり、磁気デバイス材料の有力候補として精力的に研究されています。今回、反強磁性体Mn₃Sn多層薄膜デバイスにおいて実証された電気的に読み書き可能な信号を増強する手法は、次世代の磁気デバイス開発に飛躍的な進展をもたらすことが期待されます。

本研究成果は国際科学雑誌「Small Science」において、2021年4月15日付けオンライン版に公開されました。

東京大学大学院理学系研究科発表のプレスリリース

発表雑誌：

• 雑誌名：Small Science
• タイトル：Large Hall Signal due to Electrical Switching of an Antiferromagnetic Weyl Semimetal State
• 著者： Hanshen Tsai, Tomoya Higo, Kouta Kondou, Shoya Sakamoto, Ayuko Kobayashi, Takumi Matsuo, Shinji Miwa, Yoshichika Otani, and Satoru Nakatsuji*
• DOI番号：10.1002/smsc.202000025
• アブストラクトURL：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202000025