東京大学大学院理学系研究科 肥後友也 特任准教授（東京大学物性研究所 リサーチフェロー併任）、中辻 知 教授（東京大学物性研究所 特任教授 および 東京大学トランススケール量子科学国際連携研究機構 機構長併任）は、理化学研究所 創発物性科学研究センター（CEMS）近藤浩太 上級研究員、東京大学物性研究所 大谷義近 教授（東京大学トランススケール量子科学国際連携研究機構 教授 および 理化学研究所 CEMS チームリーダー併任）の研究グループと東京大学先端科学技術研究センター 野本拓也 助教、有田亮太郎 教授（理化学研究所 CEMS チームリーダー併任）の研究グループ、東京大学物性研究所 志賀雅亘 特任研究員（研究当時）、坂本祥哉 助教、三輪真嗣 准教授（東京大学トランススケール量子科学国際連携研究機構 准教授併任）の研究グループ、Xianzhe Chen 特任研究員（研究当時）、浜根大輔 技術専門職員と共同で、不揮発性メモリ（注1）の超高速化・超低消費電力化を実現可能にする材料として注目を集める反強磁性体（注2）において、従来の強磁性体（注2）から構成されるMRAM（注1）で用いられている垂直2値状態を実現し、この垂直2値状態を電気的に制御することに成功しました。

図：カイラル反強磁性体Mn₃Snでのカゴメ面内の引っ張り歪みにより誘起された垂直2値状態
(a)本研究で用いたMn₃Sn多層膜の概要図。基板に用いたMgOとMn₃Snの格子不整合により、Mn₃Sn層には引っ張り歪みが生じます。(b) Mn₃Snの持つ拡張磁気八極子偏極はカゴメ面内に6値の自由度を持っています。しかし、(a)に示した歪みを導入することで、この自由度は膜面垂直方向の2値に減少し、垂直2値状態になります。

反強磁性体はスピン（注2）の応答速度が強磁性体の場合（ナノ秒）に比べて100 ~ 1000倍速いピコ秒であり、磁性体間に働く磁気的な相互作用が小さいため、不揮発性メモリの有力候補であるMRAMに応用することでMRAMの超高速化・超低消費電力化・高集積化を可能にします。そのため、反強磁性体における情報の書き込み・読み出し技術が近年盛んに研究されています。本研究ではカイラル反強磁性体Mn₃Snからなる素子において、電流での情報の書き込み時に書き込み不良部位なく、高集積化・高速化に適した垂直2値状態を電気的に記録・制御できることを実証しました。本成果は、ピコ秒での情報記録が可能なMRAMをはじめ、反強磁性体を用いた電子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。

本研究成果は英国の科学誌「Nature」において、2022年7月21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

発表論文

• 雑誌名：Nature
• タイトル：Perpendicular full switching of chiral antiferromagnetic order by current
• 著者： Tomoya Higo+, Kouta Kondou+, Takuya Nomoto, Masanobu Shiga, Shoya Sakamoto, Xianzhe Chen, Daisuke Nishio-Hamane, Ryotaro Arita, Yoshichika Otani, Shinji Miwa and Satoru Nakatsuji* (+ : equal contribution、* : corresponding author)
• DOI番号：10.1038/s41586-022-04864-1
• アブストラクトURL：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04864-1

用語解説

（注1）不揮発性メモリ・磁気抵抗メモリ（MRAM）

既存の半導体メモリとは異なり、電源を切っても記録された情報を失わないメモリです。磁気抵抗メモリ（MRAM）、抵抗変化メモリ（ReRAM）、相変化メモリ（PRAM）など、データ記憶方式の異なる複数のメモリが開発されています。本研究で着目したMRAMは磁気状態（磁極の向きに対応した抵抗値の変化）を使用して情報の書き込みと読み出しを行う不揮発性メモリです。膜面に対して磁極（Mn₃Snの場合は磁気八極子偏極が垂直（上下）方向に向いた垂直2値状態のときに高密度・省電力化と熱安定性の向上が期待できます。

（注2）反強磁性体・スピン・強磁性体

磁性体は「スピン」と呼ばれる電子の自転運動に起因した微小な磁石を有する物質です。この磁性体は巨視的な数のスピンが何らかのパターンで整列する磁気秩序を示し、スピンが一様な方向にそろうことで磁石のように磁極を持つ強磁性体と、隣り合うスピンが反平行や互いを打ち消しあうように配列することで磁極を持たない（磁石の性質が現れない）反強磁性体に分類されます。