東京大学物性研究所の宮町俊生助教、中島脩平博士課程学生、小森文夫教授らの研究グループは、東京工業大学合田義弘准教授、自然科学研究機構分子科学研究所横山利彦教授らのグループと共同で磁性超薄膜ヘテロ構造の界面磁気結合状態を原子スケールで明らかにすることに成功しました。

全文PDF

近年、ハードディスクに代表される磁気媒体のさらなる高密度化への期待から、情報の書き込みや、記録された情報の読み出しに用いられる磁気ヘッドの小型化・高性能化が求められています。磁気ヘッドは反強磁性/強磁性超薄膜ヘテロ構造から構成されており、性能向上のためにはより強固で安定な界面磁気結合状態を実現する必要があります。実験的に得られる磁気結合エネルギーは理想界面の場合と比較して２桁程度小さく、ヘテロ接合界面における原子スケールでの構造や電子・磁気状態の空間的乱れの影響と考えられていますが、その機構は未解明でした。

今回、研究グループは超高真空環境下で銅単結晶Cu(001)基板上に作製したMn/Fe超薄膜ヘテロ構造について、分子科学研究所の放射光施設UVSORにてXMCD測定を行いました。超薄膜成長過程の段階毎に測定を行った結果、反強磁性Mn超薄膜の積層数増大に伴い、Fe超薄膜の容易磁化方向が面直方向から面内方向に変化するスピン再配列転移を起こすことがわかりました。さらに詳細に見ていくと、（１）Mn膜厚が１原子層までは面直磁化・面内磁化ともに弱まる、（２）１〜３原子層で面直磁化が徐々に減少して、面内磁化が相対的に強まる、という２段階のスピン再配列転移であることがわかりました（図１）。そしてSTMを用いた原子分解能構造観察により、Mn積層数の増大に伴い、界面構造がFeMn不規則合金からFeMn規則合金へと変化することを突き止めました（図２）。以上のことから界面の構造の乱れにより、磁気結合エネルギーが小さくなり、磁気秩序の形成が阻害されるという一連の機構が解明されました。本成果により、磁気センサ等、磁性超薄膜ヘテロ構造から構成される磁気デバイスの開発が飛躍的に進展することが期待されます。

本研究成果は2018年11月23日（ドイツ時間）にWiley出版（ドイツ）の国際科学誌「Advanced Functional Materials」のオンライン速報版で公開されました。

発表雑誌：

• 雑誌名：Advanced Functional Materials （11月23日オンライン公開）
• 論文タイトル：Dynamic Interface Formation in Magnetic Thin Film Heterostructures
• 著者：Shuhei Nakashima, Toshio Miyamachi*, Yasutomi Tatetsu, Yukio Takahashi, Yasumasa Takagi, Yoshihiro Gohda, Toshihiko Yokoyama, Fumio Komori（*：責任著者）
• DOI: 10.1002/adfm.201804594

関連ページ

• 東京大学物性研究所 小森研究室